Die regulatorischen Funktionen des paralogen Phosphotransferase Systems (PTSNtr) in Escherichia coli.

Abstract

Das Phosphoenolpyruvat:Kohlenhydrat Phosphotransferase System (Transport-PTS) ist das bedeutendste System in Bakterien um organische Kohlenstoffverbindungen in die Zelle aufzunehmen. Ebenso koordiniert es die Aufnahme und Verwertung von Kohlenhydraten mit anderen physiologischen Prozessen. Das sogenannte Stickstoff-PTS (PTSNtr) ist homolog zum Transport-PTS und hochkonserviert in Proteobakterien. Es besteht wie das Transport-PTS aus zwei zytoplasmatischen Phosphotransferasen und einem Enzym IIA-Protein (EIIANtr), die eine Phosphorylierungskaskade bilden. Ausgehend von dem metabolischen Intermediat Phosphoenolpyruvat autophosphoryliert sich EINtr und die Phosphorylgruppe wird über NPr auf EIIANtr übertragen. Die Proteine des PTSNtr haben strukturelle Besonderheiten, die die Proteine des Transport-PTS nicht besitzen. Das EINtr besitzt zusätzlich zu der konservierten EI Domäne eine N-terminale GAF Domäne. Diese Domänen sind Signalwahrnehmungs-domänen, die eine Vielzahl unterschiedlicher Liganden binden können. Im Gegensatz zu anderen Enzym IIA Domänen ist das EIIANtr aufgrund seiner Struktur nicht fähig am Transport von Kohlenhydraten mitzuwirken, sondern übernimmt ausschließlich regulatorische Funktionen. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass das PTSNtr die Aktivitäten von Zwei-Komponenten Systemen (ZKS) moduliert. EIIANtr interagiert spezifisch mit den Sensorkinasen KdpD und PhoR. Das KdpD/KdpE ZKS wird durch Kaliummangel und bei Salzstress induziert und aktiviert die Expression der Gene des Kaliumtransporters KdpFABC. Das PhoR/PhoB ZKS reguliert hauptsächlich die Expression von Genen, die bei Phosphatmangel benötigt werden. Die Interaktion von EIIANtr mit den Sensorkinasen stimuliert die Phosphorylierung der Response Regulatoren KdpE und PhoB durch ihre Kinasen und führt so zur verstärkten Expression der Gene, die unter Kontrolle des jeweiligen ZKS stehen. Es konnten vier weitere Sensorkinasen identifiziert werden, die spezifisch mit EIIANtr interagieren. In drei Fällen moduliert EIIANtr offensichtlich die Expression der, von diesen Kinasen, regulierten Gene. Soweit untersucht ist für die Regulation der ZKS die unphosphorylierte Form von EIIANtr verantwortlich. In dieser Arbeit konnte weiterhin gezeigt werden, dass der Phosphorylierungszustand von EIIANtr durch verschiedene Faktoren beeinflusst wird. Der Phosphorylierungszustand von EIIANtr wird von dem Stringent Starvation Protein A (SspA) reguliert. Weiterhin konnte in vivo eine Kreuzphosphorylierung des PTSNtr mit dem Transport-PTS nachgewiesen werden. Dies wirkt sich auf EIIANtr-regulierte Gene aus und koordiniert wahrscheinlich die Expression EIIANtr-regulierter Gene mit dem metabolischen Status der Zelle. Außerdem moduliert die GAF Domäne von EINtr den Phosphorylierungszustand von EIIANtr und verändert so die Expression EIIANtr-abhängiger Gene.