Prolin als osmotische Schutzsubstanz und Nahrungsquelle

In dem Gram+ Bakterium Bacillus subtilis spielt Prolin eine wichtige Rolle. Als proteinogene Aminosäure ist es essentiell für die Biosynthese von Proteinen, es findet als Kohlen- oder Stickstoffquelle Verwendung und es fungiert außerdem als osmotische Schutzsubstanz. B. subtilis besitzt zwei Wege u...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
1. Verfasser: Zaprasis, Adrienne
Beteiligte: Bremer, Erhard (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2013
Biologie
Ausgabe:http://dx.doi.org/10.17192/z2013.0717
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Zusammenfassung:In dem Gram+ Bakterium Bacillus subtilis spielt Prolin eine wichtige Rolle. Als proteinogene Aminosäure ist es essentiell für die Biosynthese von Proteinen, es findet als Kohlen- oder Stickstoffquelle Verwendung und es fungiert außerdem als osmotische Schutzsubstanz. B. subtilis besitzt zwei Wege um Prolin de novo zu synthetisieren: die anabole und die osmoadaptive Prolinbiosynthese. Beide Wege sind über das gemeinsam genutzte Enzym ProA miteinander verknüpft. Die Deletion von proA führt zu einer Störung in der Prolinbiosynthese. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass Suppressor-Mutationen innerhalb der rocR-rocDEF-Region diese Störung durch die Rekrutierung des Argininabbau-Weges für die Prolin Neusynthese ausgleichen können. Zwei Klassen von Mutationen konnten identifiziert werden: (i) einzelner Aminosäureaustausch im Aktivatorprotein RocR führt zu teilweise Induktor unabhängigen RocR*-Proteinen; (ii) Mutationen in der Promotorregion von rocDEF führen zur Aktivierung eines kryptischen SigA-abhängigen Promotors. In beiden Fällen kam es zu einer erhöhten Transkription des rocDEF-Operons, was die Erhöhung der Menge an RocD in der Zelle zur Folge hatte. RocD als Teil des Argininabbau-Weges produziert dabei dasselbe Produkt wie ProA und kann somit dessen Fehlen ersetzen. Außerdem entwickelte sich dabei ein völlig neuer regulatorischer Mechanismus für die Expression des rocDEF-Operons, da dessen Expression nun auch in Anwesenheit von Ammonium durch Prolin induziert werden konnte. Dies demonstriert wie effektiv sich Bakterien an Einschränkungen innerhalb essentieller Stoffwechselwege anpassen können. In seinem natürlichen Habitat ist B. subtilis ständig wechselnden Umweltbedingungen, wie die Osmolarität, ausgesetzt. Die Anpassung an hochosmolare Bedingungen erfolgt dabei durch die osmotisch kontrollierte de novo Synthese von Prolin, oder durch dessen Aufnahme aus der Umgebung. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass prolinhaltige Peptide ebenfalls eine osmoprotektive Wirkung besitzen. Nach dem Import der Peptide durch spezielle Peptidtransporter (App, Dpp, Opp, DtpT) kommt es intrazellulär zu deren Spaltung, was zu einer Freisetzung des Prolins führt. Durch die Akkumulation dieses Prolins kommt es zu einem Schutz der osmotisch gestressten Zelle. Die an der Spaltung der Xaa-Pro bzw. Xaa-Pro-Xaa Peptide beteiligten Peptidasen konnten identifiziert werden: PapA (YqhT) und PapB (YkvY). Dies fügt einen neuen Aspekt in der Nutzung von Prolin als osmotische Schutzsubstanz durch B. subtilis hinzu und demonstriert wie gewinnbringend die im Habitat verfügbaren Ressourcen zum Schutz vor osmotischem Stress genutzt werden können. B. subtilis besitzt neben den beiden bekannten Prolintransportern (PutP, OpuE) noch ein weiteres, bisher unbekanntes Prolinaufnahmesystem. In dieser Arbeit wurde für dessen Identifizierung ein genetisches Screening-Verfahren entwickelt. In einem Stamm der Prolin nicht mehr aktiv in die Zelle aufnehmen kann, wurden trotz externer Zugabe von Prolin die Gene des Prolinabbau-Weges (putBCP) nicht mehr exprimiert. Dies demonstriert, dass der Import des externen Prolins in die Zelle, die Voraussetzung für die Induktion der Transkription von putBCP ist. Die im Rahmen dieser Arbeit erlangten Erkenntnisse enthüllen weitere Facetten der physiologischen Rolle von Prolin in B. subtilis und zeigen außerdem sehr eindrucksvoll, wie effektiv sich Bakterien an die unterschiedlichsten Veränderungen anpassen können.
DOI:http://dx.doi.org/10.17192/z2013.0717