Arbeitsgruppe Prof. Dr. M. Thomm
Mitarbeiter an diesem Thema: Melanie Surma, PD Dr. Winfried Hausner


Untersuchungen zur Funktion des Transkriptionsregulators TrmB aus Pyrococcus furiosus

 

Das hyperthermophile Archaeon Pyrococcus furiosus kann verschiedene Kohlenhydrate als Kohlenstoff – und Energiequelle nutzen, darunter Maltose, Trehalose und Maltodextrine (Fiala & Stetter, 1986). Die Aufnahme dieser Zucker in die Zelle erfolgt mit Hilfe bindeproteinabhängiger ABC – Transporter. Diese werden von drei verschiedenen Proteintypen aufgebaut: zwei Permeasen, die den Membrankanal bilden, zwei ATPase-Domänen, welche die Energie zur Translokation des Substrats durch Hydrolyse von ATP bereitstellen und einem Bindeprotein mit hoher Substrataffinität (Koning et al., 2002).
In Pyrococcus furiosus konnten zwei substratspezifische ABC-Transporter charakterisiert werden – ein Maltose/Trehalose-Transportsystem und ein Maltodextrin-Transportsystem (Abb. 1)

Abb. 1

Die Gene, die für die verschiedenen Transportproteine codieren, bilden einen Genkomplex und werden gemeinsam reguliert. Dabei wird ihre Expression nur dann induziert, wenn das entsprechende Substrat im Medium vorhanden ist, d.h. die Komponenten des Maltose/Trehalose-Transporters werden nur bei Anwesenheit von Maltose und Trehalose exprimiert, die des Maltodextrin-Transporters nur bei Vorhandensein von Maltodextrinen.

In beiden Fällen wird die Expression durch das Regulatorprotein TrmB (transcriptional regulator of the mal operon) reguliert (Lee et al. 2005). TrmB ist ein Transkriptionsrepressor, der in Abwesenheit von Substrat an die Promotorregion des jeweiligen Genkomplexes bindet und die Transkription inhibiert. Ist jedoch ein geeigneter Induktor vorhanden, bindet dieser an die Substratbindedomäne von TrmB und verursacht eine Konformationsveränderung des Repressors, der dann den Promotor wieder freigibt zur Transkription.

TrmB besitzt eine einzigartige Eigenschaft: der Regulator erkennt verschiedene DNA-Sequenzen an unterschiedlichen Promotoren. Bei der Bindung an diese nimmt TrmB unterschiedliche Konformationen ein und erkennt folglich auch verschiedene Zucker als Induktoren. Der Repressor besitzt also eine Substratspezifität, die von der Nukleotidsequenz der TrmB-Bindestelle abhängig ist (Abb.2) Dies hat zur Folge, dass derselbe Zucker sowohl induktorische, als auch anti-induktorische Wirkung zeigen kann, je nachdem an welchen Promotor TrmB gebunden ist.

Abb. 2

Neben TrmB konnten in Pyrococcus furiosus noch weitere TrmB – Homologe nachgewiesen werden, die an der Expressionsregulation glykolytischer Enzyme beteiligt sind. Diese werden als TrmBL1, TrmBL2 und TrmBL3 bezeichnet. Mit Hilfe von in vitro Transkriptionsversuchen konnte nun gezeigt werden, dass TrmB auch die Zielpromotoren von TrmBL1 erkennt, und umgekehrt. Dies lässt den Schluss zu, dass der Zuckerstoffwechsel in Pyrococcus furiosus durch ein Regulationsnetzwerk homologer Repressorproteine kontrolliert wird. Darüber hinaus haben Experimente mit gluconeogenetischen Promotoren erst kürzlich gezeigt, dass TrmBL1 auch diese als Zielpromotoren erkennt und hier nicht als Repressor, sondern als Aktivator der Transkription fungiert.