Molecular mechanisms of alarmones during bacterial stress responses

Zwecks der ständigen Bemühung zum Existieren und der Vermehrung gehen Bakterienzellen mit Stress in der Umgebung um, indem sie sich mithilfe von Second Messengern und/oder Alarmones anpassen. Solche Moleküle sind Nuklotide basiert und können beim Auftreten von Stress- Stimuli schnell generiert werden. Der Zellkonzentrationen von Stressmediatoren entsprechend können bestimmte molekulare Ziele beeinflusst werden, um bedeutende physiologische Prozesse, die zum Überleben und zur Vermehrung beitragen, fein zu modulieren. Sobald die Stressquelle zu Ende ist, können die Zellen mithilfe von übertragenenen Enzymen ihre physiologischen Niveaus der Mediatoren wiederbeleben. Im Großen und Ganzen fallen Mechanismen, wie oben erwähnt, in die Definition Bacterial Stress Response (BSF). Ziel der vorliegenden Dissertation ist es, drei publizierte Artikel aufzuzeigen und darüber zu diskutieren. Die drei erwähnten Veröffentlichungen sollen zum Verständnis der BSF in bakteriellen Zellen und der Rolle des Stressmediators 5',5'''-diadenosine tetraphosphate (Ap4A), ppGpp sowie pppGpp (kollektiv (p)ppGpp) beitragen. Die erste Publikation vorschlägt, wie Ap4A die Aktivität des essenziellen Enzyms inosine monophosphate dehydrogenase (IMPDH) in Bacillus subtilis einschränken kann, um die Niveaus von purine nucleotides während Hitzeschocks umzuprogrammieren. Die vorliegende Veröffentlichung zeigt IMPDH als das erste physiologisch bestätigte Ziel von Ap4A in Prokaryota und beschreibt die molekularen Mechanismen, wie Ap4A IMPDH hindert. Zudem wurde die biologische Relevanz der Interaktion zwischen xvii Ap4A und IMPDH analysiert und anhand der in vivo Experimente überprüft. Die zweite Publikation zielt darauf, die Erkenntnisse des Einfügens der Membranproteine sowie der Translokationsdynamik während der Stringent Response (SR) in Bacillus subtilis und Escherichia coli zu erweitern. In vielen Organismen fördert der Signal Recognition Particle (SRP) Komplex, der aus der 4.5s RNA und den GTPase Ffh besteht, co- oder posttranslational den Einschub von Proteinen und die Ortsveränderung durch Membrane. Dadurch, dass die SR die Umwandlung von GDP und GTP in die Alarmone ppGpp and pppGpp dementsprechend veranlasst, konnten solche Moleküle Ffh und dessen Empfänger Ftsy hindern. Ffh sowie Ftsy sind dafür bekannt, dass sie mithilfe der aktiven Seite einer symmetrischen GTP-Koordination einen Heterodimer formen. Die zweite Veröffentlichung bietet vielfältige in vitro Daten, die zeigen, wie sowohl ppGpp als auch pppGpp GTP bei der Nukleotidbindestelle von Ffh sowie Ftsy ersetzen konnten und dabei ihren funktionalen Hetrodimerkomplex erschweren. Dieser Artikel zeigt, wie weit das Spektrum von Zielen der (p)ppGpp in der “Produktionskette von Proteinen”. Die Enzyme, die das Formen von (p)ppGpp verantworten, sind als RelA/SpoT wie homologe Proteine (RSH) in sowohl Bakterien als auch Pflanzen bekannt. Das typische RSH-Protein besitzt eine Synthetase Domäne und/oder eine Hydrolase Domäne und zusätzlich dazu andere Domänen, die für tRNA sowie eine ribosome Assoziation wichtig sind. In zahlreichen Genomen wurden ebenso kurze RSH-Proteine, sogenannte Alarmone Synthetasen (SAS), gefunden. Diese bestehen lediglich aus einer kleinen Synthetase Domäne. Sochle Proteine tragen zur Produktion von (p)ppGpp während SR bei. In der dritten Publikation werden enzymatische und kristallographische Charakterisierungen eines bakteriellen SAS-Proteins, RelP zwecks Aufklärung aufgeziegt, wie unterschiedlich die xviii (p)ppGpp Bildung in die Gram-positive Bacillus subtilis und Staphilococcus aureus.