Universität zu Köln

Strösser, Julia (2005). GlnK-abhängige Signaltransduktion in Corynebacterium glutamicum. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Das Gram-positive Bodenbakterium Corynebacterium glutamicum gehört phylogenetisch zu den Mycolsäure haltigen Actinomyceten und hat seit seiner Entdeckung in den fünfziger Jahren als natürlicher Glutamatproduzent eine große biotechnologische Bedeutung erlangt. Neben L-Glutamat und L-Lysin wird C. glutamicum zunehmend für fermentative Produktionsprozesse anderer Aminosäuren sowie für die Herstellung von Nukleotiden und Vitaminen genutzt. Stickstoff ist für C. glutamicum zur Biosynthese aller Aminosäuren von essenzieller Bedeutung. Um eine unnötige Verschwendung von Energie und Nährstoffreserven zu vermeiden, besitzt dieser Organismus Regulationsmechanismen, die die Aufnahme und Assimilation von Stickstoff unter verschiedenen Bedingungen sowohl auf der Aktivitätsebene als auch auf der Genexpressionsebene kontrollieren. Diese werden mit dem Begriff "Stickstoffkontrolle" bezeichnet. Ziel dieser Arbeit war die Charakerisierung der GlnK-abhängigen Signaltransduktion in C. glutamicum. Zum Einen wurde die zentrale Stellung des PII-Signaltransduktionsproteins GlnK innerhalb der Stickstoffregulation untersucht und bestätigt. Zum Anderen konnte die GlnK-abhängige Signaltransduktion im Hinblick auf die Signalaufnahme und Signalweiterleitung charakterisiert werden. So ließ sich zeigen, dass das GlnK-Protein in C. glutamicum als Trimer aktiv ist und als Antwort auf Stickstoffmangel von GlnD an allen drei Untereinheiten adenylyliert wird. In der modifzierten Form interagiert GlnK mit dem globalen Repressor der Stickstoffkontrolle AmtR. Infolgedessen wird die Expression stickstoffregulierter Gene induziert. Verbessert sich die Stickstoffversorgung der Zelle, wird GlnK von GlnD demodifiziert und interagiert mit dem Ammoniumtransporter AmtB. Eine Verschiebung der Lokalisation von GlnK - vom Cytoplasma zur Membran - hat außerdem den Abbau des Proteins zur Folge, der von den Clp-Protease-Komplexen ClpCP und ClpXP sowie von der membranständigen Protease FtsH beeinflusst wird. Die Ergebnisse aus Experimenten zur Signalaufnahme und -weiterleitung lassen vermuten, dass der Marker des Stickstoffstatus nicht Glutamin sondern Ammonium ist. Die Frage, wie C. glutamicum den Stickstoffgehalt des Mediums wahrnimmt, konnte nicht abschließend geklärt werden. Neben einer GlnK-abhängigen Signaltransduktion scheint es in C. glutamicum zusätzlich einen von GlnK unabhängigen Signalweg zu geben, in dem die ATase den Stickstoffstatus der Zelle wahrnimmt und die Glutaminsynthetase dementsprechend aktiviert bzw. deaktiviert.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language GlnK dependent signal transduction in Corynebacterium glutamicum English
Translated abstract:	Abstract Language Corynebacterium glutamicum is a Gram-positive soil bacterium belonging phylogenetically to the group of mycolic acid-containing actinomycetes. Since its isolation as a L-glutamate-producing bacterium C. glutamicum is widely used in biotechnology for the production of amino acids, nucleotides and vitamins. An essential step in the production of amino acids and in the bacterial growth in general, is the assimilation of nitrogen. Depending on the amount and kind of the available nitrogen source certain enzymes and transport systems are synthesized respectively activated. To avoid the waste of energy and resources a strict regulation of nitrogen metabolism on the level of protein activity and gene expression is necessary. This regulation is designated "nitrogen control". In this study, the characterization of the GlnK dependent signal transduction in C. glutamicum was analyzed. First the central role of the PII-type protein GlnK in nitrogen regulation was investigated. Secondly the GlnK dependent signal transduction was characterized to understand the sensing mechanism in detail. The trimeric GlnK is adenylylated in response to nitrogen starvation. This process depends on the GlnD protein. In the modified form GlnK interacts with the global repressor of the nitrogen control AmtR. Consequently the expression of nitrogen regulated genes is induced. An improvement of the nitrogen status of the cell leads to deadenylylation of the protein through GlnD. While GlnK is present in the cytoplasm during nitrogen starvation, the protein is sequestered to the cytoplasmic membrane in response to an ammonium pulse. The binding of GlnK to the cytoplasmic membrane depends on the ammonium transport system AmtB, which is encoded in the same transcriptional unit as GlnK and GlnD, the amtB-glnK-glnD operon. The membrane-bound GlnK protein is stable, most likely to inactivate AmtB-dependent ammonium transport, while the majority of GlnK is degraded. Proteolysis in the transition period from nitrogen starvation to nitrogen-rich growth seems to be specific for GlnK. The proteolysis of GlnK is affected by three different proteases namely FtsH, the ClpCP and the ClpXP protease complex. The question how the primary sensor protein perceives the nitrogen status of the cell and transfers this signal to GlnD is still unknown. The investigation of the sensing mechanism indicates that in contrast to the situation in Enterobacteria ammonium instead of L-glutamine is a marker for the cellular nitrogen status. Additionally in this organism a GlnK independent signal pathway was shown in which the ATase discerns the nitrogen status and regulates the activity of the glutamine synthetase through adenylylation. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Strösser, Julia julia.stroesser@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-16734
Date:	2005
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Biochemistry
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Stickstoffkontrolle , Corynebacterium glutamicum , GlnK German nitrogen control , Corynebacterium glutamicum , GlnK English
Date of oral exam:	7 December 2005
Referee:	Name Academic Title Krämer, Reinhard Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1673