From Cyanobacteria to Archaeplastida: Unveiling the functional diversity of PII signal transducers

从蓝藻到古质体：揭示 PII 信号转导器的功能多样性

• 批准号: 189259950
• 负责人: Professor Dr. Karl Forchhammer
• 金额: --
• 依托单位: Laboratory of Adaptation in Microorganisms
• 依托单位国家: 德国
• 项目类别: Research Grants
• 财政年份: 2010
• 资助国家: 德国
• 起止时间: 2009-12-31 至 2019-12-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/189259950?language=en
• 关键词: Cyanobacteria; Archaeplastida; Unveiling; functional; diversity

Die Familie der PII Signaltransduktionsproteine zählt zu den am weitesten verbreiteten Signalprotein-Familien und kommt in Bakterien, Archaeen und Pflanzen vor. PII Proteine passen Stickstoff-Assmiliationsreaktionen dem generellen metabolischen Status der Zellen an. Dafür sensieren sie Signale des zentralen Metabolismus in dem sie 2-Oxoglutarat binden sowie kompetitiv ATP oder ADP. In Cyanobakterien sind die Proteine PipX und N-Acetyl-L-Glutamatkinase (NAGK) die herausragenden Empfänger von PII Signalen. Dadurch kontrolliert PII die Stickstoff-abhängige Genexpression (über das PipX-NtcA Netzwerk) sowie den Stickstoff-Speicherstoffwechsel (über den NAGK abhängigen Arginin-Synthesesweg). In der vergangenen Förderperiode konnten wir die Struktur-Funktionsbeziehung der Bindung von 2-Oxoglutarat, ATP und ADP an PII aufklären. Wir entdeckten, wie die ATP/ADP bindenden Eigenschaft von PII im Rezeptor-Komplex beeinflusst wird, wodurch PII je nach Rezeptor-Interaktion unterschiedlich auf den ATP/ADP Status reagieren kann. Wir entwickelten einen auf FRET (Fluoreszenz-Resonanz Energietransfer) beruhenden Test um die durch 2-Oxoglutarat modulierte Interaktion zwischen PII und NAGK zu messen. Darüber hinaus studierten wir die Evolution der PII - NAGK Interaktion von Cyanobakterien bis zu deren endosymbiontischen Abkömmlingen, den Chloroplasten der Archaeplastida (dem Pflanzenreich). Dabei entdeckten wir eine fundamental neue Eigenschaft von pflanzlichen PII Proteinen: Sie sensiren Glutamin über eine zusätzliche niederaffine Glutamin-Bindungsstelle. Neueste FLAG-tag Extraktionsexperimente deuten darauf hin, dass es in dem Cyanobakterium Synechocystis PCC 6803 noch wesentlich mehr PII Signalempfänger gibt als bisher gedacht. Transportproteine, wie z.B. Nitrat- Harnstoff- oder Ammoniumtransporter scheinen mit PII zu interagieren sowie weitere metabolische Enzyme. Darüber hinaus weisen andere Arbeiten darauf hin, dass auch das Schlüsselenzym der Fettsäurebiosynthese, Acetyl-CoA Carboxylase, unter PII Kontrolle stehen könnte. Demnach scheint PII zumindest in Cyanobakterien im Zentrum des Kohlenstoff-Stickstoff Stoffwechsels zu stehen. In der zweiten Förderperiode wollen wir zuerst die Arbeiten zu einem auf PII beruhendem FRET-Sensor für 2-Oxoglutarat fertig stellen. Im Hauptteil wollen wir die Identifizierung und Charakterisierung von neuen PII Interaktionspartnern in dem Cyanobakterium Synechocystis PCC 6803 voran treiben. Weiterhin wollen wir in Zusammenarbeit mit Prof. Elena Ermilova (Staatliche Universität St. Petersburg) eine vergleichende Analyse der PII Interaktionen von Cyanobakteiren zu Archaeplastida durchführen. Dazu wollen wir PII Interaktionspartner in einzelligen Rot- und Grünalgen (Chlamydomonas, Chlorella and Porphyridium) untersuchen und diese mit denen in Synechocystis vergleichen. Wie die vergangene Förderperiode zeigte, kann dieser Forschungsansatz zu fundamental neuen Erkenntnissen über PII Signalmechanismen führen.

Die Familie der PII SignaltransduktionsProteine zählt zu den am weitesten verbreiteten Signalprotein-Familien und kommt in Bakterien，Scheen und Pflanzen vor. PII蛋白质通过粘附-联合作用破坏了Zellen和.在2-酮戊二酸与ATP或ADP的竞争性结合中，可使中间代谢信号敏感。在Cyanobakterien中，蛋白PipX和N-乙酰-L-谷氨酸激酶（NAGK）是PII信号的主要来源。Dadurch控制PII die Stickstoff-abhängige Genexpression（über das PipX-NtcA Netzwerk）sowie den Stickstoff-Speicherstoffwechsel（über den NAGK abhängigen Argininin-Synthesesesweg）。In der vergangenen Förderperiode konten wir die Struktur-Funktionsbeziehung der Bindung von 2-Oxoglutarat，ATP und ADP an PII aufklären.我们了解到，由于ATP/ADP与PII的结合特征对反应器复合体的影响很大，因此PII可以在ATP/ADP状态下不受反应器相互作用的影响。我们利用2-酮戊二酸调节PII与NAGK的相互作用，进行FRET（共振能量转移）检测。本文主要研究了蓝藻与内共生藻之间的PII - NAGK相互作用的演化过程，以及古质体的叶绿体。Dabei entdeckten wir eine fundamental neue Eigenschaft von pflanzlichen PII Proteinen：Sie sensiren Glutamin über eine zusätzliche niederaffine Glutamin-Bindungsstelle.最后一次FLAG标记的实验表明，在蓝细菌集胞藻PCC 6803中，PII信号的强度比以前更大了梅尔。转运蛋白，如z.B.硝酸盐-氨或铵转运蛋白与PII相互作用，提供多种代谢酶。在PII控制下，我们可以通过人工合成酶乙酰辅酶A羧化酶来实现这一目的。Demnach scheint PII zumindest in Cyanobakterien im Zentrum des Kohlenstoff-Stickstoff Stoffwechsels zu stehen. In der zweiten Förderperiode wollen wir zuerst die Arbeiten zu einem auf PII beruhendem FRET-Sensor für 2-Oxoglutarat fertig stellen.我们将对集胞蓝杆菌PCC 6803中的新PII相互作用进行鉴定和特征分析。Weiterhin将与Elena Ermilova教授（Staatliche Universität St.彼得堡）共同进行一项关于Cyanobakteiren与Archaeplastida之间PII相互作用的研究。大足县将通过与集胞藻属的PII合作，对一种腐败和绿色的衣原体、小球藻和紫球藻进行研究。随着最终的Förderperiode zeigte，kann dieser Forschungsanitzu fundamental neuen Erkenntnissen über PII Signalmechanismen führen。

项目成果

NAD+ biosynthesis in bacteria is controlled by global carbon/nitrogen levels via PII signaling

• DOI: 10.1074/jbc.ra120.012793
• 发表时间: 2020-03
• 期刊: The Journal of Biological Chemistry
• 作者: A. Santos;E. C. Gerhardt;Erick Parize;F. O. Pedrosa;M. Steffens;L. S. Chubatsu;E. M. Souza;L. Passaglia;F. H. Sant’Anna;Gustavo A de Souza;L. Huergo;K. Forchhammer

The Signal Transduction Protein PII Controls Ammonium, Nitrate and Urea Uptake in Cyanobacteria

信号转导蛋白 PII 控制蓝藻对铵、硝酸盐和尿素的吸收

• DOI: 10.3389/fmicb.2019.01428
• 发表时间: 2019
• 期刊: Frontiers in Microbiology
• 影响因子: 5.2
• 作者: Watzer;Neumann;Sobotka;Hennrich;Forchhammer
• 通讯作者: Forchhammer

Cyanophycin Synthesis Optimizes Nitrogen Utilization in the Unicellular Cyanobacterium Synechocystis sp. Strain PCC 6803

蓝藻素合成优化单细胞蓝藻集胞藻菌株 PCC 6803 中的氮利用

• DOI: 10.1128/aem.01298-18
• 发表时间: 2018
• 期刊: Applied and Environmental Microbiology
• 影响因子: 4.4
• 作者: Watzer;Forchhammer
• 通讯作者: Forchhammer