Mechanismus der bakteriellen Signalübertragung entschlüsselt

Forschende der Universität Bayreuth und des Forschungszentrums Jülich untersuchten lichtempfindliche Sensor-Histidinkinasen (SHKs). Die Proteine leiten Signale über eine lichtgesteuerte Änderung ihrer strukturellen Asymmetrie weiter. Die Studie entschlüsselt damit einen zentralen Mechanismus bakterieller Signalverarbeitung. Die Ergebnisse unterstützen die Entwicklung neuer biomedizinischer und biotechnologischer Werkzeuge.

SHKs als Zielstrukturen der Optogenetik

SHKs agieren als zentrale bakterielle Signalproteine bei der Regulation zeitabhängiger Genaktivitäten. Zudem beeinflussen sie maßgeblich die bakterielle Virulenz. In der Optogenetik dienen artifiziell modifizierte, lichtsensitive SHKs der gezielten Steuerung von Genexpressionen mittels Lichtreizen. Bisher existieren jedoch nur defizitäre Strukturdaten über das Gesamtlaufprotein. Die aktuelle Arbeit liefert fundamentale Einblicke in die Signalweiterleitung über distale Proteinbereiche. Dies begünstigt langfristig die Etablierung präziser optogenetischer Applikationen.

Mechanismus der Zwei-Komponenten-Systeme

Bakterielle SHKs operieren innerhalb sogenannter Zwei-Komponenten-Systeme. Diese Proteinkomplexe bestehen aus einer sensorischen Einheit zur Reizerkennung und einem Effektor-Regulator. Der Regulator moduliert die zelluläre Antwort, beispielsweise die Genexpression. Abhängig vom System katalysieren SHKs licht- oder dunkelinduziert differente Reaktionen. Sie übertragen Phosphatgruppen auf den Regulator oder spalten diese hydrolytisch ab. Der phosphorylierte Zustand steuert konsekutiv die intrazelluläre Genaktivität. Die exakten molekularen Transduktionsmechanismen waren bisher weitgehend ungeklärt. „In unserer Studie haben wir neue künstlich erzeugte lichtempfindliche SHKs, die als optogenetische Werkzeuge genutzt werden können, sowohl strukturell als auch funktionell untersucht. Dabei haben wir Kristallstrukturdaten mit Analysen der Proteine in Lösung und funktionellen Tests kombiniert“, sagt Prof. Dr. Ulrich Krauss.

Methodenkombination zur Strukturaufklärung

Der komplementäre methodische Ansatz erlaubte die präzise Zuordnung der aktiven Dunkelkonformation und der photoinduzierten Strukturänderung. „Für die Entschlüsselung des Mechanismus der Signalübertragung waren die enge Zusammenarbeit verschiedener Institute und Arbeitsgruppen des Forschungszentrums Jülich und der Universität Bayreuth entscheidend“, so Prof. Dr. Renu Batra-Safferling.

Allosterische Steuerung der Enzymaktivität

Die analysierten SHKs weisen im Dunkelzustand eine asymmetrisch abgeknickte Konformation auf. Photoneneinstrahlung induziert hingegen eine Transformation in eine symmetrische, lineare Struktur. „Der Wechsel zwischen diesen beiden Formen ist dabei eng mit der Kinaseaktivität des Enzyms verknüpft, also der Übertragung von Phosphatgruppen auf den Regulator“, so Batra-Safferling. Analysen in Lösung verifizieren, dass die asymmetrische Konformation die Kinaseaktivität vermittelt. Die symmetrische Struktur zeigt hingegen eine Phosphataseaktivität und dephosphoryliert den Regulator. Die Proteingeometrie determiniert folglich die enzymatische Funktionalität innerhalb des Zwei-Komponenten-Systems.

„Einfach ausgedrückt liegen wichtige Teile des Enzyms in der asymmetrischen Form so zueinander orientiert, dass Kinaseaktivität möglich ist. Der Wechsel zur symmetrischen, geraden Form verändert diese Anordnung und macht die Bestandteile für die Kinasefunktion inkompatibel. So wird die Phosphataseaktivität gegenüber Kinaseaktivität begünstigt“, ergänzt Krauss. Die Universalität dieses allosterischen Mechanismus sowie die allgemeine Proteindynamik bei der Signalweiterleitung sind Gegenstand aktueller Folgeprojekte.

Quelle

Universität Bayreuth (07/2026)