Universität zu Köln

Möker, Nina (2006). Sensing properties of MtrB-MtrA of Corynebacterium glutamicum: a two-component system involved in the osmo- and chill stress response. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Being an immobile Gram-positive soil bacterium, Corynebacterium glutamicum has to cope with dramatic changes of the environmental conditions like an altered osmolarity or temperature. It was recently shown, that the MtrB-MtrA two-component system of this bacterium mediates the expression regulation of osmo- and chill stress-related genes in response to an increased medium osmolarity or decreased environmental temperature. The response regulator of this system, MtrA, was shown to act as an activator of the genes proP, betP, and lcoP as well as a repressor of the mscL gene. These results led to the question, which physico-chemical signals are recognized by MtrB, in order to mediate the expression regulation of genes in response to changes of the environmental osmolarity and temperature. To avoid the high complexity of the cellular system, an in vitro system was established for the detailed analyses of the sensory properties of MtrB. Using E. coli liposomes enriched with MtrB, the basic characteristics of the bacterial two-component system could be detected. These included the autokinase activity of membrane-bound MtrB, the phosphoryl group transfer to soluble MtrA, and the MtrB-catalyzed dephosphorylation of MtrA-P. By use of the artificial membrane system the influence of a systematic variation of signals related to osmo- and chill stress conditions could be performed. The autokinase activity of MtrB turned out to be significantly stimulated by the presence of numerous osmolytes including sugars, amino acids, compatible solutes, and high molecular weight PEGs. In addition, the histidine kinase was shown to be strongly activated by exposure to low temperature. By fusion of proteoliposomes made from E. coli lipid with synthetic POPG, the sensory properties of MtrB furthermore turned out to significantly depend on the composition of the membrane surrounding. In order to detect the sensing domain of MtrB, various truncated derivatives of the protein were constructed. In contrast to most bacterial histidine kinases, which are thought to exhibit their sensory function within the extracytoplasmic loop, MtrB was shown to sense independently of this external domain. Taken together, the data of this work led to the model, that MtrB senses environmental hyperosmotic stress either as an increased osmolarity of the cytoplasm, or as altered membrane properties. Environmental chill conditions are probably sensed as an altered physical state of the membrane.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Sensorische Eigenschaften von MtrB-MtrA von Corynebacterium glutamicum: Vermittlung der Osmo- und Kältestress-Antwort durch ein Zwei-Komponenten System German
Translated abstract:	Abstract Language Corynebacterium glutamicum ist als immobiles, Gram-positives Bodenbakterium Stress-Situationen durch plötzliche Änderungen seines Habitats, wie zum Beispiel Schwankungen in der externen Osmolarität und Temperatur, ausgesetzt. Es konnte kürzlich gezeigt werden, dass das Zwei-Komponenten System MtrB-MtrA als Reaktion auf erhöhte Osmolarität im Nährmedium, sowie auf erniedrigte Umgebungstemperatur, die Expressionsregulation von Genen vermittelt, die eine wichtige Rolle in der Osmo- und Kältestress-Antwort von C. glutamicum spielen. Dabei agiert der Antwort-Regulator MtrA sowohl als Aktivator der Gene proP, betP und locP, als auch als Repressor des mscL-Gens. Dies führte zu der Frage, welche physico-chemischen Signale als Indikatoren für veränderte eine Osmolarität bzw. Temperatur der Umgebung von MtrB genutzt werden, um als Reaktion die Expressionsregulation spezifischer Gene zu vermitteln. Um die Reizwahrnehmung detailliert zu untersuchen, wurde ein in vitro System aufgebaut. In diesen, mit MtrB angereicherten, E. coli-Liposomen konnten die Basiseigenschaften von Zwei-Komponenten Systemen in vitro imitiert werden. Dies beinhaltete die Autokinase-Aktivität von Membran-gebundenem MtrB, den Transfer der Phosphoryl-Gruppe auf den gereinigten Antwort-Regulator MtrA, sowie die von MtrB katalysierte Dephosphorylierung von MtrA-P. Mit dem Proteoliposomen-System konnte die Auswirkung vielfältiger, bei osmotischem und Kälte-Stress auftretender Signale analysiert werden. Die Autokinase-Aktivität von MtrB wurde durch die Anwesenheit zahlreicher Osmolyte wie Zucker, Aminosäuren, kompatible Solute und hochmolekulare PEGs deutlich stimuliert. Darüber hinaus konnte eine deutliche Aktivierung von MtrB durch erniedrigte Temperaturen gezeigt werden. Fusion von Proteoliposomen, die aus E. coli-Lipid bestanden mit synthetischem POPG ergab ferner, dass die Sensoreigenschaften von MtrB von der Membranzusammensetzung deutlich beeinflusst werden. Des weiteren konnte mit Hilfe von verkürzten Varianten dieses Proteins die periplasmatische Schleife, welche häufig bei den bakteriellen Sensor-Kinasen die Signal-Wahrnehmung vermittelt, als sensorische Domäne für MtrB ausgeschlossen werden. Zusammengefasst führen diese Daten zu dem Modell, dass MtrB hyperosmotischen externen Stress entweder als erhöhte Osmolarität des Cytoplasmas, oder als veränderte Membraneigenschaft wahrnimmt. Die Wahrnehmung von Kälte wird vermutlich durch die unter diesen Bedingungen veränderte Membranphase vermittelt. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Möker, Nina nina.moeker@uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-18359
Date:	2006
Language:	English
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 Corynebacterium glutamicum , Zwei-Komponenten-Systeme , Osmoregulation , Kälteregulation , Reizwahrnehmung German Corynebacterium glutamicum , two-component systems , osmoregulation , temperature regulation , stimulus perception 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/1835