Die Regulation des Abbaus von myo-Inositol

1.2.2. Die Regulation des Abbaus von myo-Inositol

Bei der Regulation der Gene für den Abbau von MI sind in S. Typhimurium spezifische als auch globale Regulatoren beteiligt. In der genomischen Insel sind zwei Gene enthalten, die als Transkriptionsfaktoren an der Regulation beteiligt und als STM4417 bzw. STM4423 annotiert sind. Beide Proteine besitzen ein helix-turn-helix-(HTH)-Motiv für Wechselwirkungen mit der DNS und eine zweite Domäne, in der sich die Regulatoren voneinander unterscheiden. Beide Regulatoren nehmen eine Schlüsselrolle bei der Verstoffwechselung von MI ein (Kröger & Fuchs, 2009; Rothhardt et al., 2014).

Das Protein IolR (STM4417) hat ein Molekulargewicht von 30,6 kDa und wird von den Nukleotiden 4.658.541 – 4.659.374 in S. Typhimurium LT2 kodiert. Dieses regulatorische Protein reprimiert die iol-Genexpression unter nährstoffreichen Bedingungen und wirkt autoregulativ auf seinen eigenen Promotor (Yoshida et al., 1999;

2008; Kröger & Fuchs, 2009; Kröger et al., 2011). IolR bindet an die Operatorstruktur der DNS von vier Operons, die die Gene des Abbaus von MI beinhalten (s. Abb. 3), mit Ausnahme des iolE-iolG1 Operons (Kröger & Fuchs, 2009). Der Repressor gehört zur MurR/RpiR Proteinfamilie mit C-terminaler Zuckerphosphat-bindenden SIS-Domäne (sugar isomerase domain) und N-terminalem DNS-bindendem HTH-6 (helix turn helix) Motiv (Kröger & Fuchs, 2009; Kohler et al., 2011). Über das HTH-Motiv bindet das Protein an die Operatorbereiche der iol-Gene und übt seine repressorische Funktion durch Transkriptionsinhibition der RNA-Polymerase aus. Im Allgemeinen sind SIS-Domänen an der Isomerisierung oder Bindung von Zuckerphosphaten beteiligt und als Bestandteil von Transkriptionsregulatoren im bakteriellen Reich weit verbreitet. Durch die Wahrnehmung der zellulären Zuckerkonzentration über die SIS-Domäne wird die spezifische DNS-Bindung und Repression der Genexpression reguliert (Bateman, 1999).

Das Protein IolR weist eine hohe Sequenzhomologie zu dem RpiR in E. coli auf, nachdem die Proteinfamilie benannt wurde. RpiR inhibiert die Expression des rpiB-Gens, welches als Ribose-Phosphat-Isomerase die reversible Reaktion von Ribose-5-Phosphat zu Ribulose-5-Phosphat katalysiert (Sørensen & Hove-Jensen, 1996). Zur MurR/RpiR-Proteinfamilie zählen eine Vielzahl von bakteriellen Transkriptionsfaktoren, die für katabole Stoffwechselwege entweder eine aktivierende, reprimierende oder duale Funktion ausüben können (Zhu et al., 2011; Daddaoua et al., 2009; Leyn et al., 2011).

Eine nicht-kompetitive Hemmung über die Bindung des Intermediat 2-Deoxy-5-Keto-Glucoronsäure-6-Phosphat (DKGP) an die SIS-Domäne des IolR-Proteins wurde bereits

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beschrieben, wodurch die iol-Genexpression in Anwesenheit von MI induziert wird (Yoshida et al., 1999; 2002; 2004; 2008; Kohler et al., 2011). Für den Repressor konnte außerdem eine übergreifende aktivierende Funktion außerhalb der GEI4417/4436 für andere Stoffwechselwege u.a. die Enzyme der Gluconeogenese, sowie dessen Einfluss auf posttranslationale Regulationsmechanismen beobachtet werden (Klaffl et al., 2013;

Hentchel et al., 2015).

Das Protein ReiD (STM4423) weist ein Molekulargewicht von 33,5 kDa auf und wird von den Nukleotiden 4.665.835 – 4.666.710 von S. Typhimurium LT2 kodiert. Der Salmonella-spezifische Aktivator ReiD (regulation essential for inositol degradation) ist essentiell für den Abbau von MI und taxonomisch auf einzelne Serotypen von Salmonella enterica u.a. S. Typhimurium 14028, LT2 und ST4/74, sowie die Serovare Agona, Paratyphi B, Weltevreden, Infantis und Enteritidis begrenzt. Das Gen reiD weist keine Homologien zu Genen anderer Abstammungslinien auf, so dass seine Akquirierung und funktionale Einbindung in das bestehende Regulon noch ungeklärt ist. Das Protein ReiD induziert die Genexpression des iolE-iolG1 Operons, das für die initialen Enzyme für den Abbau von MI kodiert, sowie seine eigene Expression in Anwesenheit des Polyols, wobei das Gen reiD unter der Kontrolle von IolR steht. Somit initiiert der Regulator die Expression der MI-abbauenden Gene bei ausbleibender IolR-Repression in Anwesenheit des Polyols, wobei der auslösende Stimulus für diese Reaktion noch identifiziert werden muss. Der C-Terminus des Aktivators weist Homologie zur AraC-Superfamilie und der N-Terminus zur Cupin-2 AraC-Superfamilie, mit einer kleinen ß-Faltblatt-Supersekundärstruktur, auf (Rothhardt et al., 2014). ReiD scheint eine Relevanz bei der Infektion zu spielen, da er vermehrt während einer Enteritidis im murinen Modell produziert wird (Lawley et al., 2006; Rollenhagen & Bumann, 2006; Chaudhuri et al., 2013; Rothhardt et al., 2014). Der Einfluss der beiden Transkriptionsfaktoren deutet auf einen komplexen Regulationsmechanismus hin, der einzigartig für den MI-Metabolismus ist und nur in einzelnen Salmonella enterica Stämmen vorkommt (Rothhardt et al., 2014).

Durch genomweite Analysen wurde die Beteiligung der globalen Regulatoren H-NS und SsrB an der Steuerung der Gene innerhalb der genomischen Insel GEI4417/4436 bestätigt (Lucchini et al., 2006; Navarre et al., 2006, Tomljenovic-Berube et al., 2010). Das Zweikomponentensystem (2-KS) SsrA-SsrB ist eines der wichtigsten

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Regulationsmechanismen für die Expression der Gene der SPI-2, wobei eine übergreifende Funktion außerhalb der Pathogenitätsinsel mehrfach beobachtet wurde (Tomljenovic-Berube et al., 2010). Bei einem 2-KS kommt es infolge eines einwirkenden Umweltsignales, z.B. der pH-Werterniedrigung im umgebenen Medium, zur Autophosphorylierung der membranassoziierten Sensorkinase SsrA, die im nächsten Schritt die Phosphatgruppe auf den transkriptionellen Regulator SsrB überträgt und dieser eine zelluläre Reaktion auslöst (Cirillo et al., 1998, Miao et al., 2002; Fàbrega & Vila, 2013). Das Nukleosom-assoziierte Protein H-NS besitzt eine unspezifische DNS-Bindeaktivität und die Fähigkeit die Topologie der Nukleinsäure zu verändern, um die Expression verschiedener Operons zu beeinflussen. H-NS hindert vor allem die Gene in ihrer Expression, die über horizontalen Gentransfer erworben wurden (Lucchini et al., 2006; Navarre et al., 2006). Diese grundsätzlich reprimierende Wirkung von H-NS dient dazu, neu erworbene Gene in ihrer Expression zu kontrollieren, bis ein positiver Regulator für die Expression dieser Gene oder ein auf H-NS antagonistisch wirkendes Protein im Laufe der Evolution de novo gebildet bzw. erworben wurde, um die Repression unter induzierenden Bedingungen aufzuheben (Fàbrega & Vila, 2013). Ein weiterer globaler Regulator ist CRP (cAMP-Rezeptorprotein), welcher cAMP-abhängig in Abwesenheit von Glukose die Transkription von über 100 Genen in Bakterien, über die direkte Interaktion mit der RNS-Polymerase aktiviert (Kolb et al., 1993). Die Beteiligung von CRP an der Regulation der MI-abbauenden Gene konnte verteilt über die gesamte genomische Insel identifiziert werden (Nihashi & Fujita, 1984; Yoshida et al., 1997, 2001; Miwa & Fujita, 2001; Yebra et al., 2007; Kröger & Fuchs, 2009). Ebenfalls wurden drei sRNS-Gene, die für die regulatorische sRNS STnc1750, RssR (STnc2160) und STnc1740 kodieren, innerhalb der genomischen Insel GEI4417/4436 identifiziert, wobei nur die beiden letzteren exprimiert werden (Kröger et al., 2013). Diese sRNS sind 50 bis 150 bp lang und interagieren als nicht-kodierende RNS-Fragmente mit 5‘-UTR-Regionen anderen RNS-Molekülen z.B. der mRNA, wodurch sie dessen Stabilisierung oder Degradation beeinflussen (Waters & Storz, 2009). Das RNS-bindende Protein Hfq kann in Verbindung mit sRNS ebenfalls eine regulatorische Funktion auf die genomische Insel ausüben und wurde für die Interaktion mit der kodierten sRNS RssR bereits beschrieben (Chao et al., 2012; Kröger et al., 2012, 2013). Eine essentielle Funktion von Hfq wurde für die Regulation der Virulenzfaktoren in S. Typhimurium bereits bestätigt (Sittka et al., 2007).

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