Genregulation in Rhodobacter capsulatus durch Stickstoff

Zusammenfassung
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Zusammenfassung
Die Adaptation an wechselnde Umweltbedingungen wird in Bakterien vorwiegend durch
Transkriptionsregulatoren gewährleistet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden vier regulatorische
Systeme des phototrophen Purpurbakteriums Rhodobacter capsulatus näher untersucht. Diese
reagieren auf die Verfügbarkeit von Stickstoff (NtrY), Molybdän (MopA, MopB), Kupfer
(CutR) und Schwefel (TauR).
Die Stickstoff-abhängige Genregulation wird in R. capsulatus durch das zentrale Zwei-Komponenten-Regulationssystem NtrB/NtrC vermittelt. Die Sensorkinase NtrB autophosphoryliert
bei intrazellulärem Stickstoff-Mangel und überträgt ihre Phosphoryl-Gruppe auf den Responseregulator NtrC. Nachfolgend aktiviert NtrC-P die Expression von Genen des StickstoffMetabolismus. Im Rahmen dieser Arbeit wurde durch genetische Analysen gezeigt, dass die
Sensorkinase NtrY das NtrB-Protein als Phospho-Donor für NtrC ersetzen kann. Im Gegensatz zum cytoplasmatischen NtrB-Protein transduziert das Transmembranprotein NtrY anscheinend den periplasmatischen Stickstoff-Status durch „cross-talk“ auf NtrC.
Die Molybdat-abhängige Genregulation wird in R. capsulatus durch MopA und MopB vermittelt. Ziel dieser Arbeit war es, die genaue Funktionsweise beider Regulatoren zu klären.
MopA und MopB können sich als Molybdat-abhängige Repressoren von Genen des Molybdat-Metabolismus ersetzen, wie durch Mutations- und Transkriptionsanalysen gezeigt wurde.
Die Molybdat-abhängige Aktivierung des mop-Gens erfolgt hingegen ausschließlich durch
MopA. Mop ist ein hexameres, putatives Molybdat-Speicherprotein. Molybdat steigert die
DNA-Affinität von MopA und MopB, wobei konservierte palindromische Mo-Boxen als
DNA-Bindestellen dienen. Als typische Operatorbindestellen überlappen die Mo-Boxen reprimierter Gene die durch Primerextension bestimmten Transkriptionsstartpunkte. Entsprechend der Rolle als Aktivatorbindestelle liegt die Mo-Box des Molybdat-aktivierten mopGens stromaufwärts des Transkriptionsstarts. Yeast Two-Hybrid Studien, GlutaraldehydCrosslinking, Gelfiltrations-Chromatographie und Coreinigungen zeigten, dass MopA und
MopB Homodimere und Heterodimere bilden. MopA/MopB-Heterodimere dienen wahrscheinlich der Feinabstimmung der Molybdat-abhängigen Genregulation. Darüber hinaus interagieren MopA und MopB mit dem MogA-Protein, welches als Molybdat-Donor der Molybdopterin-Cofaktor-Biosynthese dient. Im Gegensatz zu MopA interagiert MopB mit Mop.
Kupfer-abhängige Regulatoren sichern zum einen bei niedrigen Kupfer-Konzentrationen die
zelluläre Kupfer-Versorgung und schützen zum anderen bei hohen Kupfer-Konzentrationen
vor toxischen Effekten. Mutations- und Expressionsanalysen zeigten, dass CutR in R. capsu108
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latus als Repressor des Kupfer-Toleranz-Operons orf635-cutO-cutR fungiert. Steigende Kupfer-Konzentrationen führen zur Derepression dieses Operons. Als erstem Vertreter der bislang
uncharakterisierten DUF411-Proteinfamilie konnte CutR somit im Rahmen dieser Arbeit eine
spezifische Funktion zugeordnet werden.
R. capsulatus kann seinen Schwefel-Bedarf durch Assimilation von Taurin decken. Die entsprechenden Enzyme sind im tpa-tauR-xsc-Operon kodiert. Genetische Analysen zeigten,
dass TauR ein Taurin-abhängiger Aktivator dieses Operons ist. Der Regulator bindet an die
Promotor-DNA, wobei Mutations- und Gelshift-Analysen als Bindestelle zwei „direct repeats“ nahe legen. TauR ist ein chimäres Protein mit einer DNA-Bindedomäne und einer
Aminotransferase-Domäne. Für die Transkriptionsaktivierung ist möglicherweise eine TauRkatalysierte Aminotransferase-Reaktion zwischen Taurin und Pyridoxal-5´-Phosphat essentiell. Der Charakterisierung von R. capsulatus TauR als erstem Vertreter dieser RegulatorenGruppe kommt besondere Bedeutung zu, da TauR-homologe Proteine in Proteobakterien weit
verbreitet sind.
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