Induktor-abhängige und -unabhängige endogene Induktion

In der Gegenwart von Glykogen findet kontinuierlich Synthese und Abbau zu kurzen Maltodextrinen statt. Ein Produkt das dadurch gebildet wird ist Maltotriose, der Induktor des Maltosesystems (Raibaud and Richet 1987). Daher ist die Hauptebene auf der die glykogen-abhängige endogene Induktion stattfindet die Konzentration beziehungsweise Menge an Induktor, Maltotriose. In der Abwesenheit von Glykogen ist dennoch eine bemerkenswerte Expression der mal Gene messbar, jedoch fehlt hierbei jeglicher Bezug zu einem konkreten Induktor. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Glukokinase selbst die mal Genexpression steuert, entweder durch die Kontrolle der Aktivität von MalT oder durch die Kontrolle von dessen Expression. Eine plausible Erklärung für die Situation in vivo ist daher, dass MalT selbst in der Abwesenheit von Maltotriose eine basale Transkriptionsaktivität aufweist. Letztere ist der Wirkung von verschiedenen Proteininhibitoren ausgesetzt. Damit ist die Existenz eines unbekannten internen Induktors nicht länger notwendig.

Die oben genannten Schlussfolgerungen in Bezug auf die regulatorische Rolle der Glukokinase für den Maltose/Maltodextrinstoffwechsel sind unter Bedingungen zu beobachten, bei denen durch den Einsatz von mehrfach-Mutanten und durch die Überexpression von Proteinen ein Ungleichgewicht hergestellt wurde, das so wohl kaum in vivo existieren würde. Dies kann als Gegenargument hervorgebracht werden, da die hergestellte Meßsituation sehr artifiziell ist. Dennoch wurde nachgewiesen, dass die Menge an Glukokinase bei verschiedenen Kohlenstoffquellen nicht konstant ist und sich unter der Kontrolle des Cra-Regulators befindet. Cra ist für die Regulation von Genen bekannt, die für glykolytische und glukoneogenetische Enzyme kodieren (Meyer et al. 1997, Saier and

Diskussion

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Ramseier 1996). In den Messungen dieser Arbeit wurde stillschweigend angenommen, dass die aus einem Gleichgewicht von Abbau und Aufbau bestehende Konzentration von Glykogen (und damit die Quelle des Induktors Maltotriose) immer dieselbe ist. Die Synthese von Glykogen ist streng reguliert.

Hauptsächlich daran beteiligt ist das CsrA/B-System (Sabnis et al. 1995) unter der Beteiligung von kleinen RNAs (Gudapaty et al. 2001). Diese Betrachtungsweise eröffnet einen Zusammenhang zwischen dem zentralen Metabolismus und der Modulation der mal Genexpression, der bislang noch nicht wissenschaftlich geprüft wurde.

Es gibt noch eine weitere Ebene der Expression der mal Gene die sich bislang jeder sinnvollen Erklärung entzog. Diese Ebene ist die Sensitivität von der glykogen-unabhängigen endogenen Expression der mal Gene auf die Osmolarität des Mediums (Bukau et al. 1986, Dippel et al. 2005).

Wie schon die Effekte die von Glk/MalQ/MalP auf die Aktivität von MalT vermittelt werden, so ist auch die von der Osmolarität kontrollierte Regulation durch Maltotriose kompetitierbar (Bukau et al.

1986). Die naheliegende Erklärung, dass Glk durch hohe Osmolarität entweder stark induziert oder aktiviert wird, konnte ausgeschlossen werden. Möglicherweise interagieren bislang unbekannte Proteine die durch hohe Osmolarität im Medium induziert werden auf die gleiche Weise wie in dieser Arbeit gezeigt Glk/MalQ/MalP mit MalT und beeinflussen dessen Aktivität.

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Teil II

Netzwerkregulation des Zuckertransports in

Thermus thermophilus HB27

Zusammenfassung

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5. Zusammenfassung

Das thermophile Bakterium Thermus thermophilus repräsentiert evolutiv gesehen eine Zwischenform zwischen Gram-negativen und Gram-positiven Bakterien. Das natürliche Habitat von T. thermophilus mit Temperaturen von 70°C oder mehr und einem hohen Salzgehalt (bis zu 6% NaCl) (da Costa et al.

2001) stellt extreme Anforderungen an dort lebende Organismen. So ist die Aufnahme von Nährstoffen und Kohlenstoffquellen vermutlich darauf ausgerichtet, nahezu alles verwerten zu können was zur Verfügung steht. In Bezug auf Zucker-Transportsysteme ist T. thermophilus hauptsächlich auf ABC-Transporter angewiesen, bisher konnten keine Komponenten des PTS gefunden werden. 2005 wurde ein Trehalose, Maltose, Sukrose, Palatinose ABC-Transportsystem (TMSP) genauer charakterisiert (Silva et al. 2005). Innerhalb dieser Studie wurde anhand von computergestützten Analysen ein zweites ABC-Transportsystem identifiziert, für das allerdings keine Substrate gefunden werden konnten.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein weiteres Zucker-ABC-Transportsystem für Glukose, Galaktose und Mannose (GGM) in Thermus thermophilus HB27 identifiziert (Chevance et al. 2006). Außerdem konnten die Substrate für das schon seit 2005 bekannte ABC-Transportsystem (Silva et al. 2005) gefunden werden: lineare Maltodextrine (Maltotriose bis Maltoheptaose). Für das entsprechende Bindeprotein konnte eine Bindung von α-, β-, und γ-Cyclodextrin nachgewiesen werden, allerdings kein Transport ins Cytoplasma. Aufgrund der Substratspezifität dieses Systems wird es im Folgenden als Maltodextrin-System (MDX) bezeichnet. Das erste Gen in dem Operon des GGM-Systems kodiert für ein zu Mlc aus E. coli homologes Protein – T. thermophilus Mlc (MlcTth). In E. coli ist Mlc ein gut erforschter globaler Regulator des Zuckerstoffwechsels. Wir konnten nachweisen, dass MlcTth in T.

thermophilus eine ähnliche Rolle zu spielen scheint und als Regulator für das TMSP- und das GGM-System fungiert (Chevance et al. 2006). Die Expression von Mlc selbst und die distal folgenden Gene, welche für das GGM-System kodieren, wird durch Mlc negativ reguliert. Glukose wirkt bei dieser Regulation als Induktor. Für das TMSP-System hingegen wirkt MlcTth als Aktivator, wobei weder Glukose noch Maltose einen Einfluss auf diese Regulation ausüben. Die Charakterisierung einer mlc Mutante ergab, dass es noch einen weiteren Regulator für das TMSP-System gibt, der bisher noch nicht identifiziert werden konnte. Welchen Einfluss MlcTth,abgesehen vom TMSP- und GGM-System, auf weitere ABC-Transporter in T. thermophilus ausübt, und ob es somit wie sein Homolog aus E. coli ebenfalls als globaler Regulator fungiert, ist eine noch offene interessante Frage.

Alle drei ABC-Transportsysteme (TMSP, GGM und MDX) teilen sich eine gemeinsame ATPase-Untereinheit, MalK, deren Gen an einer anderen Stelle auf dem Chromosom lokalisiert ist. MalK aus Thermus thermophilus ist homolog zu MalK aus E. coli. In T. thermophilus wird MalK konstitutiv

Zusammenfassung

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synthetisiert und seine Synthese ist nicht signifikant induzierbar. Im Gegensatz zum vollständig membrangebundenen MalK aus E. coli ist im Fall von T. thermophilus zusätzlich auch lösliches MalK detektierbar. In Zusammenhang mit der Beobachtung, dass die Expression der Bindeproteine des TMSP- und GGM-Systems induzierbar ist, wie auch die Transport-Aktivität der dazugehörigen Transportsysteme, führte dies zu der Hypothese, dass MalK in T. thermophilus für den Transport limitierend werden könnte, falls alle MalK-abhängigen Transportsysteme voll induziert sind. Diese Hypothese konnte bestätigt werden.

Einleitung

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6. Einleitung