Team:Goettingen/Project deu

Wahrnehmung in E. coli und der Mechanismus der Chemotaxis
Chemotaxis ist ein Phänomen, bei dem Zellen oder Organismen ihre Orientierung und Bewegung in Abhängigkeit von einem Gradienten chemischer Stoffe ausrichten (Abb. 1). Diese chemischen Substanzen, sogenannte Chemoattractants (= Lockstoffe) und Chemorepellents (= Schreckstoffe) sind anorganische oder organische Substanzen, wie Aminosäuren und Zucker. Diese sind in der Lage, chemotaktisches Verhalten in beweglichen Zellen zu aktivieren, indem sie an die Rezeptoren, z.B. den Aspartat-Rezeptor Tar, binden, der einer der Hauptaugenmerke unseres iGEM Projektes ist.

Chemotaxis unterliegt hochorganisierten intrazellulären Signalwegen. Gruppierte Rezeptoren in der Zellwand von Bakterien erkennen Signale und vermitteln diese in der Zelle über assoziierte Proteine in hoch kooperativer Weise [2]. Diese hoch organisierten intrazellulären Signal-Strukturen werden auch als Zwei-Komponenten-Systeme bezeichnet.

Ein Zwei-Komponenten-System besteht aus einer sensorischen Histidinkinase, sowie einem Antwort-Regulator, der phosphoryliert werden kann [2] (Abb. 2). Die Übertragung einer Phosphatgruppe von einem Histidinrest der Kinasedomäne auf einen Aspartatrest des Antwort-Regulators aktiviert die regulatorische Domäne. Diese Aktivierung kann z.B. zu der Expression eines Genes führen.

Da die Wahrnehmung in E. coli an Flagellen-basierte Bewegung gekoppelt ist und das Ziel des Zwei-Komponenten-Systems nicht nur die Genexpression ist, ist chemotaktisches Verhalten ein weitaus komplexerer Vorgang. In E. coli sind fünf Histidin-Kinase-assoziierte Chemotaxis-Rezeptoren bekannt. Die Rezeptoren sind typischerweise in trimeren Komplexen aktiv wobei jede der drei Untereinheiten wiederum aus zwei Rezeptoruntereinheiten (Trimere aus Dimeren) besteht. Der gesamte Komplex durchspannt dabei die bakterielle Membran. Die Rezeptoren sind Methyl-akzeptierende Chemotaxisproteine (MCP), welche direkt mit CheA, einer Histidin-Autokinase und CheW, einem Adapter-Protein assoziiert sind, wobei CheW CheA mit dem Rezeptorprotein verbindet.
Es gibt zwei mögliche Konformationen von Rezeptorkinasen: Den Kinase-An- und den Kinase-Aus-Zustand [3]. Beim Kinase-Aus-Zustand ist die rotiert das Flagellum gegen den Uhrzeigersinn (CCW), was zum Schwimmen führt. Beim Kinase-An-Zustand ist die Autophosphorylierung von CheA aufgrund der Bindung des Schreckstoffes aktiviert, wohingegen in dem Kinase-Aus-Zustand die Autophosphorylierung aufgrund der Bindung eines Lockstoffes inaktiv ist (Abb. 3).

Während des Kinase-An-Zustands, überträgt das autophosphorylierte CheA eine Phosphatgruppe an einen der beiden Antwort-Regulatoren, CheY und CheB. CheY ist verantwortlich für die Motorsteuerung durch die Bindung an den Flagellenmotor. Durch eine Bindung von CheY an den Motor ergibt sich eine Drehung des Flagellums im Uhrzeigersinn (CW), welches zur zufälligen Bewegung führt. CheZ, eine Phosphatase, dephosphoryliert CheY, um diese zufällige Bewegung zu stoppen (Abb. 3).

Die Methylesterase CheB und die Methyltransferase CheR sind Gegenspieler in der sensorischen Anpassung. Hier spielen die MCPs eine entscheidende Rolle. Beide MCP Bereiche haben Glutamine in ihrer Struktur. Dies sind funktionelle Nachahmer von Methyl-Glutamat. Wenn CheB eine Phosphatgruppe von CheA gebunden hat, vermittelt dieses die De-amidierung von Glutamin zu Methyl-akzeptierendem Glutamat. Daher hat der Rezeptor im Aus-Zustand eine hohe Affinität zu Lockstoffen und lässt sich leicht methylieren, jedoch nicht de-methylieren [3]. Da die Kinetik der Methylierung und De-methylierung relativ langsam ist, kann eine Anpassung Minuten dauern [2].

Zusammenfassend zu sagen ist, dass E.coli von Taumeln zu Schwimmen schaltet, wenn es von einem Gradienten von Lockstoffen umgeben ist. Erhöhte Lockstoff Stimulation führt sowohl zum Beenden des Taumelns, als auch zur Aktivierung des Schwimmens in die Richtung des Lockstoffes [2].