Regulation of nitrogen fixation in <i>Klebsiella pneumoniae</i>: The role of Fnr in oxygen signal-transduction

Abstract

In Klebsiella pneumoniae wird die Aktivität des Transkriptionsaktivators NifA durch NifL in Abhängigkeit von gebundenem Stickstoff und molekularem Sauerstoff geregelt. NifL, ein Flavoprotein, das redox-sensitiv ist, scheint, das Sauerstoffsignal über eine Konformationsänderung auf NifA zu übertragen. Kürzlich konnten wir zeigen, dass in einer K. pneumoniae fnr null Mutante NifL das Signal für Sauerstofflimitierung nicht erhält, was zu einer inhibitorischen Konformation des Proteins führt. Dies bedeutet, dass Fnr, indirekt oder direkt, in diese Signalübertragung involviert ist. Wir nehmen an, dass Fnr als primärer Sauerstoffsensor Gene der anaeroben Atmungskette kontrolliert, die wiederum Elektronen für die Reduktion des FAD-Cofaktors in NifL zur Verfügung stellen. Interessanterweise findet sich in einer unter Sauerstoff- und Stickstofflimitierung gewachsenen fnr Mutante bis zu 95% des NifL Proteins im Cytoplasma, während im Wildtyp 55% des Regulators in der Membranfraktion nachgewiesen werden können. In der Mutante wird der räumliche Abstand zwischen NifL und NifA, der letztlich NifA die Enhancer Funktion in der nif Gene Transkription ermöglicht, verhindert.Unter Sauerstofflimitation ist NifL also hauptsächlich an der Membran lokalisiert, wobei sein FAD-Cofaktor reduziert wird und NifL so in seiner nicht-inhibitorischen Konformation verweilt. Um diese Reduktion nachzuweisen, untersuchten wir die Übertragung von Elektronen von reduzierten invertierten Membranvesikeln bzw. Quinolen auf den FAD-Cofaktor von NifL. Wir konnten eindeutig zeigen, dass sowohl Vesikel als auch Quinole in der Lage sind, Elektronen von NADH auf NifL zu übertragen. Dies unterstützt die Theorie der Reduktion von NifL mit Elektronen aus Quinol-Poolen, die durch die anaerobe Atmungskette generiert werden, an der Cytoplasmamembran. Unterstützt wird diese These durch NifA-abhängige Expressionsstudien mit K. pneumoniae Stämmen, die Null-Mutationen in Oxidoreduktasen, z.B. NADH-Oxidoreduktase, der anaeroben Atmung aufweisen. In diesen Stämmen sind die Expressionslevel nahezu identisch mit denen des Wildtyp Stammes unter aeroben Bedingungen.Wir schlagen deshalb ein Model vor, in dem NifL an der cytoplasmatischen Membran durch Elektronen aus dem Quinol-Pool reduziert wird. Gespeist wird dieser Pool mit Elektronen der anaeroben Atmungskette.