Regulation der Glukosylglycerol-Phosphat-Synthase aus dem Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803

Novak, Jens Florian (2010). Regulation der Glukosylglycerol-Phosphat-Synthase aus dem Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Unter hyperosmotischen Bedingungen akkumuliert das phototrophe Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 das kompatible Solut Glukosylglycerol, um das Wasserpotential der Zelle der Osmolarität des externen Mediums anzupassen. Das Schlüsselenzym der de novo-Synthese von GG ist die Glukosylglycerol-Phosphat-Synthase, deren biochemische Regulation eine essentielle Rolle bei der Salzanpassung spielt. Bei der schnellen Antwort auf eine erhöhte Salzkonzentration werden präformierte GgpS-Proteine aktiviert und die GG-Synthese setzt ein. Während der zweiten Phase der Salzanpassung wird die Aktivität des Enzyms in Abhängigkeit von der vorliegenden Salzkonzentration moduliert. Die zugrundeliegenden Mechanismen der biochemischen Inaktivierung der GgpS bei niedrigen Salzkonzentrationen und die salzabhängige Einstellung der Enzymaktivität während der Akklimatisierung waren bisher unverstanden. In dieser Arbeit konnte ausgeschlossen werden, dass die Inaktivierung des GgpS-Enzyms bei niedrigen Salzkonzentrationen durch ein regulatorisches Protein oder eine posttranslationale Modifikation verursacht wird. Es konnte gezeigt werden, dass eine affine Bindung an Nukleinsäuren stattfindet, die eine Hemmung der GgpS-Aktivität verursacht. Die Bindung der GgpS an DNA und damit die daraus resultierende Inhibition wurde dabei von der Salzkonzentration moduliert. Die Hypothese einer salzabhängigen Bindung des GgpS-Proteins an Nukleinsäuren unter in vivo-Bedingungen konnte durch in vivo-Crosslinking-Experimente unterstützt werden. Da eine Inhibition der GgpS Aktivität auch durch Heparin verursacht wurde und die Bindung von Heparin an das GgpS-Protein gezeigt werden konnte, beruht die Interaktion der GgpS mit Nukleinsäuren vermutlich auf einer unspezifischen, ionischen Wechselwirkung von positiv geladenen Bereichen auf der Proteinoberfläche mit dem negativ geladenen Rückgrat der Polyanionen. Die Hemmung der Enzymaktivität durch DNA wird hierbei nicht durch einen kompetitiven Mechanismus verursacht. Eine erhöhte Stabilität des Proteins bei einem trypsinolytischen Abbau weist eher darauf hin, dass bei der Bindung an DNA eine Konformationsänderung des Proteins stattfindet, die für die Hemmung verantwortlich sei könnte. Sowohl die schnelle Antwort der GG-Synthese als auch die Anpassung von Synechocystis an längerfristig erhöhte Salzkonzentrationen wird durch die salzmodulierte Bindung des GgpS-Proteins an Nukleinsäuren vermittelt. Dieser Mechanismus der Aktivitätsregulation stellt ein bisher nicht beschriebenes Prinzip auf dem Gebiet der Osmoregulation dar.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Regulation of the glucosylglycerol phosphate synthase from the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803	English

Translated abstract:

Abstract

Language

Under hyperosmotic conditions the phototrophic cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 accumulates the compatible solute glucosylglycerol to balance the osmotic differences between the cytoplasm and the external medium. The key enzyme involved in the de novo synthesis of GG is the glucosylglycerol phosphate synthase. The biochemical regulation of the GgpS enzyme plays an essential role in the adaptation process towards increased salt concentrations. The rapid response of the cell is mediated by the activation of preformed GgpS protein leading to a maximal rate of GG-synthesis. During steady-state acclimatisation the enzyme activity is modulated depending on the salt concentration. The mechanisms of the biochemical inactivation of the GgpS enzyme at low salt concentrations and the salt-dependent adjustment of enzyme activity under steady-state conditions remained unclear by now. The obtained results rule out that the inactivation of the GgpS enzyme under low salt conditions is mediated by a regulatory protein or by posttranslational modification. It could be shown that a binding of the GgpS protein to nucleic acids takes place resulting in inhibition of enzyme activity. This binding and therefore the inhibition of GgpS activity is modulated by the salt concentration. The hypothesis of an in vivo interaction between the GgpS protein and nucleic acids was furthermore supported by in vivo crosslinking experiments. Since a comparable inhibition of GgpS activity by heparin and binding of the protein to this polyanion was also observed, we concluded that the binding is caused by an unspecific electrostatic interaction of positively charged areas on the protein surface and the negatively charged sugar-phosphate backbone of the polyanions. The inhibition of enzyme activity by DNA is not mediated by a competitive mechanism. The elevated stability of the protein towards proteolytic degradation rather points to a conformational change of the GgpS upon binding to DNA. This structural change could be responsible for the inhibitory effect of DNA. The rapid response of GG synthesis and the steady-state acclimatisation of Synechocystis to elevated salt concentrations is mediated by the salt-modulated binding of the GgpS enzyme to nucleic acids. This mechanism of activity regulation represents a novel principle in the field of osmoregulation.

English

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