Influence of inorganic carbon and mutations in carbon-regulated pathways on metabolite pools and turnover in cyanobacteria
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurden Methoden etabliert, die an den Modellcyanobakterien Synechocystis sp. PCC 6803 und S. elongatus PCC 7942 eine Untersuchung von „steady state“ Konzentrationen von bis zu 100 Metaboliten des zentralen C- und N-Stoffwechsels erlauben. Bei der Anpassung an CO2-Mangelbedingungen kommt es zur vermehrten Nutzung der Photorespiration, der Glykolyse sowie des TCA-Zyklus und zu einer stark verminderten N-Assimilation. Das drückt sich in der Akkumulation typischer C- Mangelmetabolite wie 2PG, PEP und 2-PGA aus. Diese Änderungen in den Pool-Größen wurden auch durch Flussmessungen mit anorganischem 13C prinzipiell bestätigt. Um die Aussagen der Metabolomuntersuchungen zu schärfen, wurden diese mit Transkriptomuntersuchungen kombiniert. In beiden Cyanobakterien war die verminderte Akkumulation von N-Assimilationsprodukten wie Glutamat mit einer koordinierten Verminderung der Transkription entsprechender Gene gekoppelt. Dagegen lässt sich die Verschiebung des C-Flusses kaum durch veränderte Transkription erklären, da nur wenige Gene für entsprechende Enzyme differentiell bei verschiedenen CO2-Konzentrationen reguliert werden. Somit scheint insbesondere der C-Stoffwechsel auf Ebene der Enzymaktivitäten und des metabolischen Phänotyps reguliert zu sein. Metaboliten dienen aber auch als Signal für die veränderte Genexpression. So verschiebt die Akkumulation von 2PG bzw. Glycolat in entsprechenden Mutanten von Synechocystis den Stoffwechsel und teilweise die Genexpression bereits unter Hoch-CO2 in Richtung eines Niedrig-CO2- Phänotpyes. Untersuchungen von Mutanten mit mutiertem PII-Protein, dem zentralen N/C-Sensor, zeigten, dass dieses Protein und damit assoziierte Elemente insbesondere für die CO2-induzierte Verminderung der N-Assimilation verantwortlich sind. In den entsprechenden Mutanten war die N-Assimilation stark deregulieret, während sich Intermediate des C-Metabolismus wie im Wildtyp verhielten. Zur Vermittlung der C-Mangelsituation bedarf es also eines zusätzlichen Sensorsystems. Auch führte die Derepression von Niedrig-CO2 induzierten Genen in der ndhR-Mutante nicht zu einer entsprechenden Umstellung des Stoffwechsels auf Niedrig-CO2. Das ist ein weiterer Hinweis für die Trennung von transkriptioneller und metabolischer Regulation des C-Stoffwechsels. Die zum Ende des Projektes etablierten Fütterungen mit 13C-markierten Intermediaten des C-Stoffwechsels haben die Basis geschaffen, in zukünftigen Experimenten die Regulation der C-Assimilation in Abhängigkeit vom CO2-Gehalt weiter aufzuklären.
Publications
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