Kohlenhydratmetabolismus in Bakterien

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18.08.2009
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Boris Görke
Jahrgang 1966. 1988–1995 Biologiestudium an der Universität
Freiburg. 2000 Promotion.
2000–2004 Postdoktorand u. a.
bei Dr. A. Galinier am LCB-CNRS,
Marseille. Seit 2004 Gruppenleiter am Institut für Mikrobiologie und Genetik, Universität
Göttingen. 2009 Habilitation in
Mikrobiologie und Genetik.
ó Heterotrophe Bakterien sind auf die Aufnahme organischer Kohlenstoffverbindungen
aus der Umwelt angewiesen. Die Substrate
werden in zentralen Stoffwechselwegen abgebaut. Der Fluss durch diese Wege muss reguliert werden, da eine Anhäufung oder Verarmung von Metaboliten schädlich ist. Zudem
müssen alle Prozesse in der Zelle mit dem
Kohlenstoffmetabolismus koordiniert werden.
Hierbei spielen kleine RNAs (sRNAs) eine
wichtige Rolle [1]. Sie können mit den mRNAs
ihrer Zielgene paaren und deren Translation
oder Stabilität beeinflussen.
Der Aminozuckerstoffwechselweg wird für
die Biosynthese der Zellwand in Bakterien
benötigt. Die Schlüsselreaktion ist die Synthese von Glukosamin-6-Phosphat (GlcN6P),
die entweder aus im Medium verfügbaren
Aminozuckern oder de novo durch die Glukosamin-6-Phosphat-Synthase (GlmS) erfolgt.
In Enterobakterien ist GlmS zusammen mit
dem Enzym GlmU in einem Operon codiert
(Abb. 1). GlmU wird immer benötigt, wohingegen GlmS nur in Abwesenheit von Amino-
Nachwuchswissenschaftler stellen sich vor
Kohlenhydratmetabolismus in Bakterien
BORIS GÖRKE
INSTITUT FÜR MIKROBIOLOGIE UND GENETIK, UNIVERSITÄT GÖTTINGEN
zuckern gebraucht wird. Es war ein Rätsel,
wieso die Gene dieser beiden Enzyme koexprimiert werden. Wir zeigten, dass die glmUSmRNA durch die RNase E prozessiert wird
[2]. Hierdurch entsteht eine glmS-mRNA, die
normalerweise nur schlecht translatiert wird,
da die Ribosomen-Bindestelle in einer Sekundärstruktur verborgen ist. Diese Struktur
kann durch Paarung mit der sRNA GlmZ
unter Mitwirkung des Proteins Hfq aufgelöst
werden. Die glmS-mRNA wird dann effizient
translatiert und gleichzeitig vor Abbau
geschützt. Die sRNA GlmZ wird ebenfalls prozessiert, wobei nur die unprozessierte Form
paaren kann [2]. Eine weitere sRNA, GlmY,
steuert die Prozessierung von GlmZ [3]. Sinkt
der GlcN6P-Spiegel ab, so akkumuliert GlmY
in der Zelle. Dies hemmt die Prozessierung
von GlmZ und verstärkt die GlmS-Synthese.
GlmY und GlmZ vermitteln eine Rückkopplungs-Regulation, die durch eine angepasste
GlmS-Syntheserate den GlcN6P-Pegel in der
Zelle konstant hält (Abb. 1). Zudem untersuchen wir die Funktionen des Phosphoenolpy¯ Abb. 1: FeedbackRegulation der Synthese der Glukosamin6-Phosphat-Synthase
GlmS durch die kleinen RNAs GlmY und
GlmZ. Bei absinkendem Glukosamin-6-PSpiegel akkumuliert
GlmY in der Zelle (1)
und hemmt die Prozessierung von GlmZ
(2). Unprozessiertes
GlmZ paart mit der
glmS-mRNA (3) und
aktiviert die GlmSSynthese (4), wodurch
der Glukosamin-6-PSpiegel wieder
ansteigt (5). Die glmSmRNA entsteht durch
RNase-E-abhängige
Prozessierung der
bicistronischen
glmUS-mRNA (6).
BIOspektrum | 05.09 | 15. Jahrgang
ruvat(PEP)-abhängigen Phosphotransferasesystems. Dieses System transportiert Kohlenhydrate. Es gibt aber homologe Proteine, die
ausschließlich regulatorische Funktionen besitzen. Eines dieser Proteine, IIANtr, reguliert die
Expression eines Kalium-Aufnahmesystems in
E. coli [4]. Hierzu wechselwirkt IIANtr mit einer
Sensorkinase, die ihrerseits die Synthese des
K+-Transporters an die K+-Konzentration in der
Zelle anpasst. IIANtr gehört somit zu einer neuen Klasse von Regulatoren, die die Aktivität
von Zwei-Komponentensystemen modulieren.
Die Interaktion steuert bei IIANtr dessen PEPabhängige Phosphorylierung. Hierdurch wird
der Kalium- mit dem Kohlenhydratmetabolismus koordiniert. Dies ist wichtig, weil viele
Enzyme K+ für ihre Aktivität benötigen.
Danksagung
Mein Dank gilt Prof. Jörg Stülke für die Unterstützung beim Aufbau meiner Arbeitsgruppe, meinen Kollaborationspartnern für die
Zusammenarbeit und der DFG für die Finanzierung.
ó
Literatur
[1] Görke B, Vogel J (2008) Noncoding RNA control of the
making and breaking of sugars. Genes Dev 22:2914–2925
[2] Kalamorz F, Reichenbach B, März W et al. (2007)
Feedback control of glucosamine-6-phosphate synthase GlmS
expression depends on the small RNA GlmZ and involves the
novel protein YhbJ in Escherichia coli. Mol Microbiol 65:1518–
1533
[3] Reichenbach B, Maes A, Kalamorz F et al. (2008) The
small RNA GlmY acts upstream of the sRNA GlmZ in the activation of glmS expression and is subject to regulation by polyadenylation in Escherichia coli. Nucleic Acids Res 36:2570–
2580
[4] Lüttmann D, Heermann R, Zimmer B et al. (2009)
Stimulation of the potassium sensor KdpD kinase activity by
interaction with the phosphotransferase protein IIANtr in
Escherichia coli. Mol Microbiol 72:978–994
Korrespondenzadresse:
PD Dr. Boris Görke
Institut für Mikrobiologie und Genetik
Georg-August-Universität Göttingen
Grisebachstraße 8
D-37077 Göttingen
Tel.: 0551-393796
Fax: 0551-393808
[email protected]
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