Mechanismus der bakteriellen Signalübertragung entschlüsselt

Die untersuchte Sensorhistidinkinase kann blaulichtgesteuert zwischen einer Kinase- und einer Phosphatase-Form wechseln. Dabei überträgt sie Phosphatgruppen auf andere Proteine oder entfernt sie wieder. Die stilisierten Proteinstrukturen zeigen die unterschiedliche räumliche Anordnung in beiden Zuständen. Im Hintergrund sind Proteinkristalle zu sehen, die für die Strukturanalysen genutzt wurden. © Ulrich Krauss/Renu Batra-Safferling/ChatGPT Image 2

SHKs sind Teil sogenannter Zwei-Komponenten-Systemen in Signalwegen von Bakterien. Sie bestehen aus einem Sensor, der Umweltreize wie Licht erkennt, und einem Regulator, der die Antwort auf den Reiz, beispielsweise eine veränderte Genexpression, steuert.  Je nach System können SHKs bei Licht oder Dunkelheit unterschiedliche Reaktionen auslösen: Sie übertragen Phosphatgruppen auf einen Regulator oder entfernen sie wieder. Dieser Regulator steuert anschließend weitere molekulare Prozesse in der Zelle, etwa Veränderungen der Genaktivität. Obwohl SHKs in Bakterien für eine Vielzahl an Signalwegen zuständig sind und auch in der Optogenetik – einer biologischen Technologie, die zelluläre Aktivität mit Licht kontrolliert – genutzt werden, sind die genauen Mechanismen der Signalübertragung weitestgehend unverstanden. Dieses Problems hat sich ein Forschungsteam der Universität Bayreuth und des Forschungszentrums Jülich angenommen.

„In unserer Studie haben wir neue künstlich erzeugte lichtempfindliche SHKs, die als optogenetische Werkzeuge genutzt werden können, sowohl strukturell als auch funktionell untersucht. Dabei haben wir Kristallstrukturdaten mit Analysen der Proteine in Lösung und funktionellen Tests kombiniert“, sagt Prof. Dr. Ulrich Krauss vom Lehrstuhl Biochemie I der Universität Bayreuth, der gleichzeitig Gastwissenschaftler am Institut für Molekulare Enzymtechnologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, das zugleich Teil des Jülicher Instituts für Bio- und Geowissenschaften IBG-1 ist.

  Die Kombination der Methoden ermöglichte es den Forschenden, die aktive Dunkelform und die durch Licht ausgelöste Strukturänderung der SHKs präzise zuzuordnen. „Für die Entschlüsselung des Mechanismus der Signalübertragung waren die enge Zusammenarbeit verschiedener Institute und Arbeitsgruppen des Forschungszentrums Jülich und der Universität Bayreuth entscheidend“, so Prof. Dr. Renu Batra-Safferling, Leiterin der Arbeitsgruppe Protein Biochemie am Forschungszentrum Jülich.

Bei den untersuchten SHKs liegt im Dunkeln eine asymmetrisch abgeknickte Form vor, während Licht eine symmetrische, gerade Struktur begünstigt. „Der Wechsel zwischen diesen beiden Formen ist dabei eng mit der Kinaseaktivität des Enzyms verknüpft, also der Übertragung von Phosphatgruppen auf den Regulator“, so Batra-Safferling. Funktionelle und strukturellen Untersuchungen des Enzyms in Lösung legen dabei nahe, dass die asymmetrisch abgeknickte Form Kinaseaktivität besitzt, während die symmetrische, gerade Form Phosphataseaktivät zeigt, d.h. Phosphatgruppen vom Regulator entfernt. Damit entscheidet die räumliche Struktur der SHK wesentlich darüber, ob Phosphatgruppen übertragen oder entfernt werden – ein zentraler Schritt bei der Regulation der Genaktivität durch Zwei-Komponenten-Systeme. „Einfach ausgedrückt liegen wichtige Teile des Enzyms in der asymmetrischen Form so zueinander orientiert, dass Kinaseaktivität möglich ist. Der Wechsel zur symmetrischen, geraden Form verändert diese Anordnung und macht die Bestandteile für die Kinasefunktion inkompatibel. So wird die Phosphataseaktivität gegenüber Kinaseaktivität begünstigt“, ergänzt Krauss.  

Wie universell dieser Mechanismus für andere SHKs ist und welche Rolle Proteindynamik allgemein bei der Signalweiterleitung in lichtsensitiven Proteinen spielt, untersuchen die Forschenden aktuell in einem weiteren Projekt.

Die Studie entstand im Rahmen eines vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts (OptoSys; FKZ 031A16 und FKZ031A167B) und wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.