Häm-basierte Sensorkinasen in Methanosarcina acetivorans als Beispiel archaeeller Signaltransduktion

• Antragstellerin: Professorin Dr. Nicole Frankenberg-Dinkel
• Fachliche Zuordnung: Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 259019293

Der Methylsulfidmethyltransferase-assoziierte Sensor MsmS (MA4561) aus dem methanogenen Archaeon Methanosarcina acetivorans ist ein Multidomänensensorprotein, welches aus zwei alternierenden PAS und GAF Domänen besteht, die C-terminal mit einer Histidinkinase-ähnlichen H_ATPase Domäne verbunden sind. MsmS besitzt in der zweiten GAF Domäne einen kovalent gebundenen redoxaktiven Hämkofaktor, welcher in der Lage ist, eine Reihe externer Liganden wie z.B. Kohlenmonoxid oder Dimethylsulfid zu binden. Die Oxidation des Hämkofaktors führt zur Aktivierung der Autophosphorylierungsaktivität der H_ATPase Domäne, was darauf hinweist, dass MsmS eine Sensorkinase ist. Mit Hilfe einer chromosomalen knock-out Mutante in msmS konnte gezeigt werden, dass MsmS an der Kreuzregulation eines Gens, welches für eines von drei Corrinoid/Methyltransferase Isoenzymen kodiert, beteiligt ist. Die Transkription dieser Gene wird direkt von stromaufwärts gelegenen Regulatoren der Msr-Familie reguliert. Einer dieser Regulatoren ist stromabwärts mit msmS in einem bicistronischen Operon kodiert und bildet zusammen mit diesem ein putatives Zweikomponentensystem. In dem beantragten Projekt sollen MsmS sowie die homologe Kinase MA0863 und ihre Funktion bei der Regulation der Corrinoid/Methyltransferase Isoenzyme untersucht werden. Zum einen soll die axiale Koordination des Hämkofaktors in MsmS untersucht und im Besonderen die Rolle der kovalenten Bindung aufgeklärt werden. Vorläufige Ergebnisse haben gezeigt, dass auch MA0863 in der zweiten GAF Domäne einen Hämkofaktor trägt. Hier soll untersucht werden, inwieweit dieses Häm sich in Hinblick auf Redoxeigenschaften und axialer Koordinierung von dem in MsmS unterscheidet. Dazu sollen verschiedene spektroskopische Methoden wie UV-vis, Resonanz Raman und magnetischem Circulardichroismus zum Einsatz kommen. Die Redoxpotentiale des Häms werden mit Hilfe von Redoxtritrationen bestimmt. Obwohl beide Kinasen eine hohe Sequenzhomologie aufweisen, ist MA0863 außergewöhnlich, da es ein Amber Codon in seiner zweiten PAS Domäne besitzt. Amber Codons werden in M. acetivorans in die Aminosäure Pyrrolysin translatiert. Inwieweit Pyrrolysin als reguläre Aminosäure in MA0863 fungiert, oder ob ihm eine spezielle Funktion zukommt, soll untersucht werden. Im Besonderen soll die Signaltransduktion ausgehend von den Sensorkinasen und die mögliche Kreuzregulation der Corrinoid/Methyltransferase Isoenzyme betrachtet werden. Hierbei soll neben der transkripitionellen Regulation der Zielgene auch die Rolle der Msr-Regulatoren in der Signalweiterleitung untersucht werden. Protein-Protein Interaktionsstudien zwischen Sensorkinasen und Regulatoren sowie DNA-Regulator Interaktionen mit Hilfe von Gelmobilitätsassays sollen bei Aufklärung der der Signaltransduktion zugrunde liegenden Mechanismen helfen. Insgesamt möchten wir mit unseren Arbeiten zum Verständnis archaeeller Signaltransduktion und zur Methanogenenphysiologie im Besonderen beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen