Signal Transduction in Chimeras of the E. coli Chemotaxis Receptors and Bacterial Class III Adenylyl Cyclases

In vielen Signalwegen ist cAMP als sekundärer Botenstoff beteiligt. Die Bildung von cAMP aus ATP wird durch Adenylatcyclasen (ACs) katalysiert. In der bakteriellen Signalübertragung ist häufig eine periplasmatische Sensordomäne an cytoplasmatischen Output gekoppelt. Die E. coli Chemorezeptoren Tsr und Tar sind Beispiele für vorgeschaltete Empfänger. Die HAMP Domäne ist ein Signalwandler, der häufig Sensordomänen mit Outputdomänen verbindet. Die katalytischen Bereiche der ACs können das übertragene Signal aufnehmen und entsprechende Reaktionen durchführen.

In E. coli wird fast das gesamte cAMP aus der Zelle ausgeschleust und taucht im Kulturmedium auf. Die Mechanismen, die Bakterien für den cAMP Export verwenden, wurden qualitativ mithilfe des MacConkey Plattentests und quantitativ mit dem ß-Galactosidase Test untersucht.

Zur Untersuchung der bakteriellen Signalübertragung wurden Triple-Chimären bestehend aus einem Chemorezeptor, einer HAMP Domäne und einer AC Outputdomäne verwendet. Es wurde in vitro gezeigt, dass AC-Module erfolgreich mit denen von Chemotaxisproteinen getauscht werden können. Die in vitro Daten wurden durch in vivo Experimente untermauert.

Die S-helix ist ein konserviertes Motiv in Signalproteinen, das vorgeschaltete Empfänger mit nachgeschalteten Outputdomänen verbindet. Sie kommt u.a. in ACs, z.B. in CyaG aus Arthrospira maxima, vor. Um eine Funktion für die S-helix in CyaG zu ermitteln, wurde sie in einer Chimäre aus E. coli Tsr Rezeptor und HAMP und Outputdomäne von CyaG entfernt. Überraschenderweise wurde ein umgekehrtes Signal als Antwort auf die Serinbindung beobachtet. Biochemische Untersuchungen der S-helix in CyaG zeigten, dass die S-helix als unabhängiges, strukturelles Modul an der Signalübertragung beteiligt ist.

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Signaltransduktion ist ein komplexer Vorgang, den alle lebenden Zellen verwenden, um die Umwelt zu überwachen und die erforderlichen Maßnahmen zu ergreifen. Den eigenen Bedürfnissen entsprechend hat jeder Organismus eigene Signalwege mit speziellen Proteinen und Molekülen entwickelt. In vielen Signalwegen ist cAMP als sekundärer Botenstoff beteiligt. Die Bildung von cAMP aus ATP wird durch Adenylatcyclasen (ACs) katalysiert.

In der bakteriellen Signalübertragung ist häufig eine periplasmatische Sensordomäne an cytoplasmatischen Output gekoppelt. Die E. coli Chemorezeptoren Tsr und Tar sind Beispiele für vorgeschaltete Empfänger, die nach der Bindung von Liganden Konformationsänderungen erfahren. Die HAMP Domäne ist ein Signalwandler, der häufig Sensordomänen mit Outputdomänen verbindet. Sie leitet das Rezeptorsignal weiter, indem sie selbst ihre Konformation ändert. Die katalytischen Bereiche der ACs sind den HAMP Domänen meist nachgeschaltet und können das übertragene Signal aufnehmen und entsprechende Reaktionen durchführen. Es gibt viele Informationen über Chemotaxisproteine, HAMP Domänen und ACs. Die Shelix hingegen, die den C-Terminus der HAMP Domäne mit der AC Outputdomäne verbindet, wurde bisher noch nicht untersucht.

In E. coli und vielen anderen Bakterien wird fast das gesamte cAMP aus der Zelle ausgeschleust und taucht im Kulturmedium auf. Die Mechanismen, die Bakterien für den cAMP Export verwenden, wurden qualitativ mithilfe des MacConkey Plattentests und quantitativ mit dem ß-Galactosidase Test untersucht.

Zur Untersuchung der bakteriellen Signalübertragung wurden Triple-Chimären bestehend aus einem Chemorezeptor, einer HAMP Domäne und einer AC Outputdomäne verwendet. Es wurde in vitro gezeigt, dass AC-Module erfolgreich mit denen von Chemotaxisproteinen getauscht werden können, d.h. AC Outputdomänen konnten auf Chemotaxis Rezeptor-signale antworten. Die in vitro Daten wurden durch in vivo Experimente untermauert.

Die S-helix ist ein konserviertes Motiv in Signalproteinen, das vorgeschaltete Empfänger mit nachgeschalteten Outputdomänen verbindet. Laut Voraussagen bildet sie ein zweihelikales paralleles Coiled-Coil und kommt v.a. in Histidinkinasen, aber auch in ACs, z.B. in CyaG aus Arthrospira maxima, vor.

Um eine Funktion für die S-helix in CyaG zu ermitteln, wurde in einer Chimäre aus E. coli Tsr Rezeptor und HAMP und Outputdomäne von CyaG der 25 Reste umfassende Bereich zwischen HAMP und katalytischer Domäne entfernt. Überraschenderweise wurde ein umgekehrtes Signal als Antwort auf die Serinbindung beobachtet, d.h. Serin stimulierte nun die AC Aktivität im Gegensatz zu der Chimäre, die die S-helix enthielt. Biochemische Untersuchungen der S-helix in CyaG zeigten, dass das Entfernen von einer bis zu drei Heptaden plus einem Stutter, d.h. 1, 2 oder 3 x 7 + 4 Aminosäuren, nötig und ausreichend ist, um eine Signalinversion zu erhalten. Es wurde dargelegt, dass für eine Signalumkehr das Entfernen eines Bereiches bestimmter Länge an der richtigen Position zwingend ist, das Entfernen an einem Stück jedoch nicht. Die Herausnahme von Heptaden und Stuttern alleine verhinderte die Regulierbarkeit der Chimären. Die auch in vivo beobachtete Signalinversion unterstreicht die in vitro Daten. Da nicht nur das Entfernen, sondern auch das Einführen dieses Bereiches zu einer Signalumkehr führte, kann davon ausgegangen werden, dass die S-helix als unabhängiges, strukturelles Modul an der Signalübertragung beteiligt ist.