Mechanismus und physiologische Bedeutung der MalK-vermittelten Repression des Escherichia-coli-Maltose-Regulons

Abstract

Das Escherichia-coli-Maltosesystem besteht aus 10 Proteinen, die der Aufnahme und der Verwertung von Maltodextrinen dienen. Die Gene des Maltosesystems stehen unter Kontrolle des zentralen Aktivators MalT, der für die Transkription aller mal Gene essenziell ist. Durch Bindung des Induktors Maltotriose wird MalT von einer inaktiven in eine aktive Form überführt und stimuliert die Transkription des mal Regulons. Dem entgegen wirken eine Reihe von Proteinen, die die Expression der Maltosegene inhibieren. Eines dieser Proteine, MalK, ist die ATPase-Untereinheit des Maltodextrin-ABC-Transporters und selbst Teil des Maltosesystems. In dieser Arbeit wurden Studien zum Mechanismus und zur physiologischen Bedeutung der MalK-vermittelten Regulation des mal Regulons durchgeführt. Es wurde gezeigt, dass die MalK-vermittelte Repression auf einer Inhibition der MalT-Aktivität beruht. Darauf basierend wurden zwei Modelle zur Regulation des Maltosesystems gegenübergestellt. Darüber hinaus wurden Aspekte der Inducer Exclusion, des Transportmechanismus von ABC-Transportern und der Quartärstruktur von ABC-Transportern behandelt:Eine Reihe von MalK Punktmutanten wurden isoliert, die spezifisch in ihrer Fähigkeit MalT zu inhibieren, gestört sind. Es wird postuliert, dass diese Mutanten eine verminderte Affinität von MalK zu MalT aufweisen. An Hand eines 3D-Modell des E. coli MalK Proteins wurde gezeigt, dass die Reste, die in diesen MalK Mutanten verändert sind, die MalT-Interaktionsstelle auf der Oberfläche der sogenannten regulatorischen Domäne von MalK definieren. Das 3D-Modell wurde weiterhin benutzt um bereits beschriebene Mutanten in einen strukturellen Kontext zu setzen. Dadurch wurden wichtige Beiträge zum Verständnis des Mechanismus der Inducer Exclusion und der Assemblierung von ABC-Transportern geleistet. Weiterhin wurden konservierte Sequenzmotive in der regulatorischen Domäne von ABC-Transportern entdeckt. Punktmutationen in diesen sogenannten "Regulatory Domain Motifs" von MalK führen zu einem transportnegativen Phänotyp der betroffenen Mutanten, der auf einer starken Verminderung der ATPase Aktivität beruht. Das ist ein Hinweis darauf, dass die regulatorische Domäne eine Rolle für die ATPase-Aktivität von MalK spielt. Dies ist bemerkenswert, da die regulatorische Domäne nur in einer Untergruppe aller prokaryotischen ABC-Transporter vorkommt und bisher angenommen wurde, dass alle ABC-Transporter den gleichen ATP-Hydrolyse-Mechanismus aufweisen.In einer Reihe von in vitro Studien konnte bestätigt werden, dass MalK in Anwesenheit von ATP die MalT-Aktivität durch direkte Wechselwirkung inhibiert. Es wurden Hinweise gefunden, dass MalK in Anwesenheit von ADP zu einer Stimulation der MalT-Aktivität führt und dass MalT nicht nur mit cytoplasmatisch lokalisiertem MalK, sondern auch mit MalK im assemblierten Maltodextrin-ABC-Transporter interagiert. Dies ist konsistent mit einem neuen Modell der mal Genregulation: Dieses Modell besagt, dass die Bindung von Maltotriose zwar eine Vorraussetzung für MalT-Aktivität ist, die eigentliche Stimulation von MalT und damit die mal Genregulation aber durch die Transportrate des Maltodextrin-ABC-Transporters gesteuert wird.