Die Pyruvylierung an bakteriellen Zellwandpolymeren – eine evolutionsbiologisch konservierte Modifikation zum Proteindisplay an Zelloberflächen
Abstract
Viele Gram-positive Bakterien sind von einer zweidimensional-kristallinen Zelloberflächen (S-) Schicht, die aus selbstassemblierenden (Glyko)Proteinen besteht, bedeckt. Diese S-Schicht besitzt Periodizität im Nanometerbereich, was viele Anwendungsperspektiven in der Nanotechnologie und Biomedizin eröffnet (Sleytr, Bayley et al. 1997). Es fehlt jedoch die detaillierte Kenntnis darüber, wie die S-Schicht mit der darunter¬liegenden Peptidoglykan-Zellwand von Bakterien verbunden ist. Ausgehend von der Forschung an dem Pathogen Bacillus anthracis und dem Modellorganismus Paenibacillus alvei CCM2051T ist das meiste Wissen über die Situation in Gram-positiven Bakterien ver¬fügbar, wo sogenannte Oberflächenhomologie (SLH) Domänen als Zellwand-Targeting-Module für die S-Schicht dienen. SLH-Domänen interagieren wiederum mit einem spezies-spezifischen, Peptidoglykan-gebundenen sekundären Zellwandpolymer (SCWP), das als Zellwandligand dient (2-4). Obwohl es offensichtlich ist, dass diese Strategie zur Verankerung von Zelloberflächenproteinen interessant für eine therapeutische Interven¬tion ist, fehlt ein mechanistisches Verständnis des zugrundeliegenden Prinzips. Diese SCWPs fallen in die Kategorie der nicht-klassischen SCWPs, da sie sich strukturell von den bekannten Teichonsäuren unterscheiden (3). Das SCWP von P. alvei SCWP ist ein Polymer bestehend aus aus elf [→3)-β-D-ManpNAc-(1→4)-β-D-GlcpNAc-(1→] Disaccharideinheiten, wobei jeder β-D-ManpNAc Rest mit einem 4,6-verknüpften Pyruvatketal (2) modifiziert ist, was zum anionischen Charakter des SCWP beiträgt. Diese Pyruvylierung von β-D-ManpNAc, die auch im B. anthracis SCWP (4) an der terminalen Position vorliegt, ist wird als unver¬zichtbares und evolutonär konserviertes Epitop in für die Zelloberflächenpräsentation von SLH-Domänen enthaltenden Proteinen (SLH-Proteinen) angesehen (5-7). Die funktionelle Kopplung von SLH-Proteinen und SCWP-Pyruvylierung wird durch die Tatsache bestätigt, dass mehrere SLH-Protein-synthetisierende Bakterien mit einer Pyruvat enthaltenden Zellwand ein Ortholog des CsaB-Enzyms aufweisen, das den Transfer von Pyruvatketal auf β-D-ManNAc katalysiert(5). Angesichts der weiten Verbreitung dieses Mechanismus der Protein-Zelloberflächenpräsentation - sowohl bei pathogenen als auch bei nicht pathogenen Bakterien - ist es erstaunlich, wie wenig über die Biosynthese von pyruvylier¬ten SCWPs und den daran beteiligten Enzymen bekannt ist. In dieser Studie soll die Pyruvyltransferase CsaB von P. alvei hinsichtlich ihrer Substratspezifität, Reaktionskinetik und katalytisch relevanten Aminosäuren untersucht werden. Außerdem sollen mögliche Interaktionen mit anderen Enzymen aus dem SCWP Biosyntheselokus von P. alvei ermittelt werden. Auf diese Weise soll die Pyruvylierungs¬reaktion von SCWP als entscheidener Schritt für die Zeloberflächenpräsentation von SLH-Proteinen charakterisiert und gleichzeitig unser Verständnis der Biosynthese von SCWPs generell erweitert werden.
Publikationen
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Fiona Hager-Mair
Dipl.-Ing. Fiona Hager-Mair Ph.D.
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01.01.2019 - 31.12.2020