SbtB — der fehlende Sensor für anorganischen Kohlenstoff in Cyanobakterien

140 W I S S EN S CH AFT Signaltransduktion SbtB – der fehlende Sensor für anorganischen Kohlenstoff in Cyanobakterien KHALED A. SELIM 1,2 , ERIK ZIMMER 1 1 INTERFAKULTÄRES INSTITUT FÜR MIKROBIOLOGIE UND INFEKTIONSMEDIZIN, UNIVERSITÄT TÜBINGEN 2 MAX-PLANCK-INSTITUT FÜR BIOLOGIE, TÜBINGEN PII superfamily consists of signal transduction proteins found in all domains of life. PII-like proteins evolved to fulfill diverse, yet poorly understood cellular functions. We recently identified the PII-like protein SbtB in cyanobacteria as a sensor of various adenine nucleotides including the second messengers cAMP and c-di-AMP. This highlights SbtB as a central switch-point in cyanobacterial physiology, integrating not only signals from the energy state and carbon supply, but also signals from the day/night status, to regulate the glycogen metabolism. DOI: 10.1007/s12268-023-1902-2 © Die Autoren 2023 ó Pflanzen betreiben Photosynthese, einen physiologischen Prozess zur Synthese simpler Zucker durch die Nutzung von Sonnenlicht. Dieser Prozess, bei dem CO2 aus der Atmosphäre im Calvin-BensonBassham(CBB)-Zyklus fixiert sowie Sauerstoff produziert wird, findet in Chloroplasten statt [1]. Diese oxygene Photosynthese entwickelte sich vor circa drei Milliarden Jahren in Cyanobakterien, den Vorläufern der Chloroplasten. Cyanobakterien sind daher ideale Modellorganismen zur Untersuchung molekularer Mechanismen der Photosynthese und deren Evolution. Aufgrund der Entwicklung von Chloroplasten aus Cyanobakterien sind letztere außerdem ein gutes Modell zum Studium der Chloroplastenbiologie. Cyanobakterielle Gene können letztlich dazu genutzt werden, C3-Nutzpflanzen weiterzuentwickeln, um z. B. die Effizienz der Kohlenstoffassimilierung zu steigern. Außerdem spielen Cyanobakterien selbst eine wichtige Rolle im globalen Kohlenstoffkreislauf, denn sie sind für etwa 10–15 Prozent der globalen Fixierung von CO2 durch Photosynthese verantwortlich [2]. Photoautotrophe Organismen, zu denen Pflanzen und Cyanobakterien zählen, nutzen den Calvin-Benson-Zyklus zur Assimilation von Kohlenstoff und den Glutamin-Synthe- tase/Glutamin-Oxoglutarat-Amino transferase(GS-GOGAT)-Zyklus zur Assimilierung von Stickstoff [2]. Diese beiden Stoffwechselwege müssen streng reguliert und koordiniert werden, was eine konstante Messung der Menge und Qualität an verschiedenen verfügbaren Kohlenstoff- und Stickstoffquellen erfordert. Für diese komplexe Koordination hat sich in photoautotrophen Organismen ein Signaltransduktionsnetzwerk entwickelt, das sowohl in Cyanobakterien als auch in Pflanzen hauptsächlich durch Proteine der PII-Superfamilie reguliert wird [2, 3]. Diese PII-ähnlichen Proteine, zu denen auch das Protein SbtB zählt, nehmen den Energie-, Kohlenstoff- und Stickstoffstatus der Zelle durch die Bindung verschiedener kleiner Effektormoleküle wahr. Je nach gebundenem Effektormolekül durchlaufen die Proteine der PII-Superfamilie strukturelle Veränderungen, um unterschiedliche zelluläre Funktionen auszuführen [2, 3]. Der carbon concentrating-Mechanismus (CCM) von Cyanobakterien Der entscheidende Schritt der photosynthetischen Fixierung von Kohlenstoff in photoautotrophen Organismen wird durch das Enzym Ribulose-1,5-BisphosphatCarboxylase/-Oxygenase (RuBisCO) katalysiert. Die Reaktionskinetik der RuBisCO ist langsam und sie ist in Gegenwart von Sauerstoff (O2) unter atmosphärischen Bedingungen sehr fehleranfällig und ineffizient, denn das Enzym bindet neben CO2 auch O2 und fixiert O2 durch seine Oxygenaseaktivität zu einem Nebenprodukt, welches energieaufwändig recycelt werden muss. Aufgrund dieser geringen CO2/O2-Substratspezifität und der geringen Verfügbarkeit von atmosphärischem CO2 – üblicherweise liegt die CO2Konzentration in Chloroplasten von C3-Pflanzen unterhalb des KM der RuBisCO – mindert die Oxygenaseaktivität die Effizienz der Photosynthese um etwa 30 Prozent. Organismen wie Cyanobakterien, Mikroalgen oder C4-Pflanzen haben unabhängig voneinander Mechanismen zur Effizienzsteigerung der Photosynthese entwickelt, die carbon concentrating-Mechanismen (CCMs) [1, 2]. Diese Mechanismen erhöhen die CO2-Konzentration rund um die RuBisCO und schirmen diese von Sauerstoff ab. Um dies zu bewerkstelligen, umfasst der cyanobakterielle CCM (Abb. 1) mehrere Systeme zur aktiven Aufnahme von CO2 (NDH-I3- und NDH-I4-Komplexe) und Bicarbonat HCO3– (BicA-, SbtAund BCT1-Komplex) sowohl in die Zelle als auch im Carboxysom. Unter Carboxysomen versteht man proteinbasierte Mikrokompartimente, in welchen sich die RuBisCO befindet. In den Carboxysomen wird CO2 konzentriert, während sie undurchlässig für Sauerstoff sind. Neben der Fixierung durch die RuBisCO besitzen Cyanobakterien das Enzym Phosphoenolpyruvatcarboxylase, das für circa 25 Prozent der Kohlenstofffixierung der Zelle verantwortlich ist [1–3]. Mathematische Modelle haben ergeben, dass das Einbringen/Transformieren von cyanobakteriellen CCM-Komponenten (insbesondere die beiden HCO3–-Transporter SbtA und BicA) in die Chloroplasten von C3-Pflanzen deren CO2-Assimilierungsrate und somit ihren Ertrag um 36–60 Prozent steigern könnten [1]. Bisherige Versuche verblieben jedoch erfolglos. Dies motivierte uns, die molekularen und strukturellen Eigenschaften des cyanobakteriellen CCM weiter zu untersuchen. Ein besseres Verständnis BIOspektrum | 02.23 | 29. Jahrgang 141 ˘ Abb. 1: Schematische Darstellung des carbon concentratingMechanismus (CCM) und der Stellung von SbtB in Cyanobakterien. Der CCM besteht aus fünf Systemen zur Aufnahme von Kohlenstoff, einem System zur Aufrechterhaltung des für den SbtA- und BicA-Transport von HCO3- benötigten Na+/H+-Gradienten sowie dem Carboxysom. Im Carboxysom wird intrazelluläres HCO3- durch das Enzym Carboanhydrase (CA) zu CO2 dehydratisiert, CO2 wird anschließend durch die RuBisCO fixiert und im Calvin-BensonBassham(CBB)-Zyklus in Zucker umgewandelt. Diese Zucker werden u. a. in Form des Biopolymers Glykogen gespeichert. An dessen Bildung ist das „Glycogen Branching“-Enzym GlgB beteiligt, welches von SbtB in seiner c-di-AMP gebundenen Form reguliert wird. SbtA wird von SbtB in seiner AMP gebundenen Form reguliert, während die Bindung von cAMP als Signal für eine hohe Kohlenstoff Verfügbarkeit diese Aktivierung hemmt. Das protonengetriebene System zum Export von Na+ wird durch c-di-AMP reguliert. der zugrunde liegenden Mechanismen wird eine Basis zur rationalen Herangehensweise an die Installation eines funktionierenden CCMs in Pflanzen bieten. A B C SbtB als Regulator des CCM und des zentralen Kohlenstoffstoffwechsels SbtB ist eine Komponente des cyanobakteriellen CCMs und liegt genomisch in einem bicistronischen Operon mit dem HCO 3–Transporter SbtA vor. SbtB fungiert dabei als Sensor für anorganische Kohlenstoffquellen (Ci), also CO2 bzw. HCO3–, und ermöglicht somit eine effiziente Anpassung der Zelle an die fluktuierende Verfügbarkeit von Kohlenstoff. Zur Wahrnehmung des Kohlenstoffstatus dienen dabei sekundäre Botenstoffe, deren variierende Ko (...truncated)