Molekulare Grundlage für die Kontrolle der K(+)-Aufnahme von KtrAB und KimA durch zyklisches di-AMP

• Antragstellerinnen: Professorin Dr. Inga Hänelt; Dr. Janet Vonck
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biophysik ; Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 423650202

Die Kaliumhomöostase ist essentiell für das Überleben von Bakterien und wird durch die koordinierte Funktion verschiedener K(+)-Importer und -Exporter kontrolliert. Während lange davon ausgegangen wurde, dass verschiedene Liganden und Stimuli diese regulieren, wurde kürzlich zyklisches di-AMP als übergreifendes, regulatorisches Signalmolekül in verschiedenen Gram-positiven Bakterien identifiziert. Die Produktion von zyklischem di-AMP scheint von der Verfügbarkeit von K(+) abzuhängen. Bei einem Überschuss an externem Kalium wurde ein erhöhter intrazellulärer zyklischer di-AMP-Spiegel nachgewiesen. Umgekehrt wurde gezeigt, dass die Aufnahme und Freisetzung von Kalium sowohl durch die Kontrolle der Genexpression als auch der Proteinaktivität durch zyklisches di-AMP moduliert wird.In Bacillus subtilis bindet zyklisches di-AMP direkt an die K(+)-Importer KtrAB und KimA, was zu ihrer Inhibierung führt. Der zugrunde liegende Mechanismus der Proteindeaktivierung ist jedoch unbekannt. In diesem Projekt werden wir die molekularen Prinzipien der zyklischen di-AMP-Bindung und der daraus resultierenden Transportinhibierung beleuchten. Da der K(+)-Kanal KtrAB und der Kalium-Proton-Symporter KimA keine strukturellen Ähnlichkeiten aufweisen, werden unterschiedliche Bindungsmotive und regulatorische Mechanismen erwartet. Die Bindungsstellen und strukturellen Konsequenzen der zyklischen di-AMP-Bindung werden durch Einzelpartikel-kryo-Elektronenmikroskopie und Röntgenkristallographie gelöst. Gepulste ESR-Spektroskopie wird die Nukleotid-abhängige Konformationsdynamik von KtrAB und KimA aufklären. Komplementäre Mutationsstudien in Kombination mit funktionellen Assays werden Aminosäuren identifizieren, die für die Nukleotidbindung und die anschließende Regulation der Aktivität erforderlich sind.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1879: Nucleotide Second Messenger Signaling in Bacteria