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Projekt
Ca2+-Signalübertragung bei der Vielzelligkeit von Cyanobakterien: Entschlüsselung des Netzwerks des Ca2+-Sensors CSE
Antragsteller
Professor Dr. Khaled Selim
Fachliche Zuordnung
Stoffwechselphysiologie, Biochemie und Genetik der Mikroorganismen
Biochemie
Biochemie
Förderung
Förderung seit 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 503969687
Die Vielzelligkeit bei fädigen Cyanobakterien beinhaltet die Kommunikation zwischen den Zellen und die Differenzierung zu Heterozysten oder Akineten. Dabei werden einzelne Zellen synchronisiert und koordiniert. Heterozysten entstanden in Lauf der Evolution um den Vorgang der Stickstofffixierung räumlich abzutrennen von der oxygenen Photosynthese vegetativer Zellen. Im Gegensatz dazu entwickelten sich Sporenähnliche Zellen, die als Akineten bezeichnet werden, um ungünstige Bedingungen überdauern zu können. Die Differenzierungsprozesse wurden eingehend untersucht, und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen sind relativ gut charakterisiert. Die Signalmechanismen, die diese multizellulären Reaktionen auslösen, sind jedoch nur wenig bekannt.Bei mehrzelligen Cyanobakterien wurde eine bedeutende Rolle von Ca2+ als zweiter Botenstoff für die Regulierung der Heterozystendifferenzierung vermutet, obwohl die Ca2+-Signalkaskaden und Ca2+-Sensoren und/oder -Ziele noch weitgehend unbekannt sind. Unser Vorhaben basiert auf der jüngsten Entdeckung eines neuen Ca2+-Bindeproteins, CSE, das ausschließlich in mehrzelligen Cyanobakterien vorkommt und eine wichtige Rolle bei der Steuerung der Heterozystenfunktion, des Aufbaus der Photosynthesemaschinerie und der allgemeinen Fitness des Filaments spielt. Wir beabsichtigen daher, die molekularen Mechanismen der Ca2+-Signalübertragung über CSE als eine treibende Kraft für die Steuerung der Vielzelligkeit und Differenzierungsprozesse von Cyanobakterien zu verstehen.Unsere Hypothese besagt, dass Ca2+-Wellen die Heterozystendifferenzierung und die Zell-Zell-Kommunikation mit dem Stoffwechselzustand der Zelle verbinden. Auch könnten Ca2+-Signale andere multizelluläre Funktionen wie die Akineten-Differenzierung beeinflussen. Eine mögliche Signalfunktion von CSE könnte in einer Konformationsänderung bei der Ca2+-Bindung bestehen, um mit verschiedenen Protein zu interagieren und so die Differenzierung oder die Anpassung der Photosynthese einzuleiten. Alternativ könnte das CSE-Protein seine Funktion im Ca2+-Signalprozess über die Kontrolle und Veränderung der freien zytoplasmatischen Ca2+-Ionenkonzentration ausüben, was Prozesse wie die Genexpression, die Heterozystenentwicklung, die Zell-Zell-Kommunikation und den Aufbau der photosynthetischen Komplexe beeinflussen könnte.Um diese Hypothesen zu überprüfen, wollen wir die Signalfunktion von Ca2+, insbesondere über CSE, auf mehreren Ebenen untersuchen, indem wir verschiedene biochemische, physiologische, mikroskopische und strukturbiologische Ansätze kombinieren. Wir möchten 1) die physiologische Bedeutung von Ca2+-Wellen für Gating, Zell-Zell-Kommunikation und Akinetendifferenzierung bestimmen, 2) das CSE-Interaktionsnetzwerk identifizieren und charakterisieren, 3) die CSE-Struktur mit und ohne Ca2+ bestimmen, und 4) die Auswirkungen veränderter intrazellulärer Ca2+-Konzentrationen auf den Zellstoffwechsel und die Transkriptionsaktivitäten untersuchen (optional).
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
