Universität zu Köln

Stirnberg, Marit (2006). Regulation des Gehaltes der osmoprotektiven Substanz Glucosylglycerol im Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Das Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 kann sowohl in Süßwasser- als auch in Seewasserhabitaten wachsen. Dabei ist unter hyperosmotischen Bedingungen die Akkumulation von Glucosylglycerol (GG) als osmoprotektive Substanz essentiell. Das Heterosid kann durch Aufnahme oder de novo-Synthese in hohen Konzentrationen im Cytoplasma akkumuliert werden, wobei es die Zelle vor einem Wasserverlust schützt, ohne Stoffwechselfunktionen negativ zu beeinflussen. Die Menge des akkumulierten GG entspricht in akklimatisierten Zellen der externen osmotischen Belastung und wird durch die Aktivität des Schlüsselenzyms der GG-Synthese (GgpS) reguliert. Als Regulator des GgpS-Proteingehaltes konnte durch Anwendung einer Transposomutagenese eine FtsH-Protease identifiziert werden, die für den Abbau von inaktivem GgpS-Protein zuständig ist. Dadurch konnte die Verbindung zwischen Protein-Qualitätskontrolle und Osmoregulation in Cyanobakterien erstmals aufgezeigt und auf der molekularen Ebene analysiert werden. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Arbeit ein neuer Mechanismus charakterisiert, der eine stabile, salzabhängige GG-Syntheserate sicherstellt. Dabei ist die biochemische Modulation der Aktivität des GgpS-Enzyms von entscheidender Bedeutung. Mittels in vitro-Enzymtests konnte gezeigt werden, dass die Aktivität des gereinigten GgpS-Proteins durch hohe Konzentrationen von GG, wie sie auch in der salzakklimatisierten Zelle vorliegen, und anderer osmoprotektiver Substanzen gehemmt werden konnte. Dies ließ sich auch unter in vivo-Bedingungen durch den hemmenden Effekt der Akkumulation von Trehalose durch Aufnahme bzw. de novo-Synthese nachweisen. Die durch erhöhte GG-Konzentrationen bedingte Hemmung der GgpS-Aktivität konnte durch steigende NaCl-Konzentrationen moduliert werden. Auf der Grundlage der erhaltenen Ergebnisse wurde ein Modell erstellt, in dem die GG-Syntheserate der externen Salzkonzentration angepasst und eine energetisch ungünstige Überproduktion an GG vermieden werden kann. Dabei stellt das GgpS-Protein zugleich Osmosensor und Osmoregulator dar.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Regulation of the steady state content of the compatible solute glucosylglycerol in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 English
Translated abstract:	Abstract Language The cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 is able to survive in fresh water as well as sea water habitats. For growth under hyperosmotic conditions accumulation of the compatible solute glucosylglycerol (GG) is essential. By uptake or de novo synthesis high cytoplasmic concentrations of this heteroside are accumulated resulting in protection of the cell against dehydration without causing deleterious effects on cellular metabolism. In salt acclimated cells the concentrations of accumulated GG depends on the extent of the osmotic challenge and the main regulatory level is the adjustment of GgpS activity, the key enzyme of GG synthesis. Applying a transposon mutagenesis approach an FtsH protease was identified as a regulatory component of the GgpS protein level by degradation of inactive GgpS molecules. Thus, for cyanobacteria a link between protein quality control and osmoregulation was demonstrated and analyzed at the molecular level for the first time. Furthermore, a new mechanism was characterized ensuring salt dependent GG synthesis by modulation of the GgpS enzyme activity. Using in vitro enzyme assays it was shown that the activity of the recombinant protein was inhibited by high concentrations of GG, as observed in salt acclimated cells and by other osmoprotective compounds. Under in vivo conditions the same inhibitory effect was observed after accumulation of trehalose either through uptake or de novo synthesis. The inhibition of GgpS activity could be modulated by increasing salt concentrations. Based on these observations a model for GgpS activity control was proposed where the GG synthesis rate can be adjusted in dependence on external salinity and hence, energetically unfavourable overproduction of GG can be avoided. In this model the GgpS protein comprises properties of both an osmosensor and an osmoregulator. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Stirnberg, Marit marit.stirnberg@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-18335
Date:	2006
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 Synechocystis , Proteinqualitätskontrolle , Salzstress , posttranslationale Regulation , Glucosylglycerol German Synechocystis , protein quality control , salt stress , posttranslational control , glucosylglycerol English
Date of oral exam:	29 June 2006
Referee:	Name Academic Title Krämer, Reinhard Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1833