S1: Neue Mechanismen in der Stressantwort in E. coli?

Kürzlich konnten wir einen völlig neuartigen Mechanismus der post-transkriptionellen Stressantwort in Escherichia coli identifizieren. Er basiert auf einer funktionellen Spezialisierung der Ribosomen durch die Aktivität der stressinduzierten Endoribonuclease MazF, der Toxin-Komponente des Toxin- Antitoxinsystems mazEF. MazF entfernt durch seine spezifische RNase-Aktivität eine kurze Region am 3-Ende der 16S rRNA in der auch die essentielle anti-Shine und Dalgarno Sequenz lokalisiert ist. Da die Interaktion zwischen der anti-Shine und Dalgarno und der Shine und Dalgarno Sequenz vor dem AUG Startkodon der mRNA notwendig für die Initiation der Proteinsynthese ist, können diese modifizierten Ribosomen nur sogenannte leaderless mRNAs translatieren, die direkt mit dem Startkodon beginnen und keine Shine und Dalgarno Sequenz aufweisen. Da unter Stressbedingungen MazF auch bestimmte Transkripte direkt vor dem Startkodon schneidet und diese somit leaderless werden, kommt es zu einer Modulation und Anpassung des translationalen Programms an die gegebenen Bedingungen. Interessanterweise haben unsere Folgestudien gezeigt, dass die rpsA mRNA, die für das ribosomale Protein S1 kodiert, durch MazF geschnitten und folglich unter Stress selektiv translatiert wird. Das aus mehreren Domänen bestehende Protein S1 ist ein besonderes ribosomales Protein. Es ist essentiell für die Proteinsynthese in Escherichia coli und wahrscheinlich allen Gram-negativen Bakterien, indem es an die strukturierte 5-nichttranslatierte Region der mRNAs bindet und somit die Transkripte in die Nähe des Ribosoms bringt. Überaschenderweise führt die Prozessierung der rpsA mRNA zur Synthese von zwei Fragmenten von Protein S1, dem N-terminalem Peptid S1222 und dem C- terminalen Peptid S1MazF. In Anbetracht der unterschiedlichen Eigenschaften der einzelnen S1 Domänen liegt ein Schwerpunkt dieses Projektes auf der Untersuchung der physiologischen Funktionen der beiden Proteinfragmente unter Stressbedingungen. Diese interessante Beobachtung weist aber auch auf eine mögliche Erweiterung der Komplexität und Vielfalt des bakteriellen Proteoms durch die MazF-abhängige Stressantwort hin. Diese Aktivität gleicht konzeptionell dem Mechanismus des alternativen Spleißens in Eukaryonten, der wesentllich zur Erweiterung der Diversität der genomkodierten Proteine und zur gewebespezifischen Genexpression beiträgt. Da ein solcher Mechanismus in Bakterien bislang aber gänzlich unbekannt ist, ein weiterer Focus dieser Studie ein Pilotprojekt zur Überprüfung dieser möglichen, gewagten Theorie, die einen gänzlich neuen Mechanismus der post-transkriptionellen Regulation der bakteriellen Genexpression darstellen könnte.

Bakterien müssen ständig auf veränderte Lebensbedingungen reagieren. Vor allem pathogene Bakterien erfahren nach der Infektion ihres Wirtes z.B. oxidativen Stress und Nährstoffmangel. Um diese unwirtlichen Bedingungen zu überleben, haben sie Strategien entwickelt um sich anzupassen. Einige Bakterien haben überdies auch die Fähigkeit, persistente Zellen auszubilden, die sich durch einen Schlafzustand bzw. einen eingeschränkten Metabolismus auszeichnen. Dadurch können sie sowohl die Immunantwort ihres Wirtes als auch eine Antibiotikatherapie überdauern und danach wieder aufkeimen. Einige Studien haben gezeigt, dass sogenannte Toxin/Antitoxin (TA)-Systeme, die für ein toxisches Protein und das korrespondierende Antitoxin kodieren, eine wesentliche Rolle in dieser Überlebensstrategie spielen. Unsere vorangegangenen Studien haben gezeigt, dass eines dieser stressaktivierten Toxine, MazF, eine sehr spezifische Funktion besitzt: Es schneidet Ribonucleinsäuren (RNA) an bestimmten Sequenzmotiven. Dies führt einerseits zum Abbau der RNA, andererseits werden einige RNAs dadurch aber prozessiert und können dann von ebenfalls durch MazF modifizierte Ribosomen, den Proteinsynthesefabriken, selektiv in Proteine translatiert werden. Zusammengefasst kommt es unter Stress durch die Aktivierung von MazF zu einer raschen und energiesparenden Reprogrammierung der Proteinsynthese. Im Rahmen dieses Projektes konnten wir zeigen, dass dieser Mechanismus eine noch weiterreichende regulatorische Rolle in der Stressantwort Bakterien spielt. Das Toxin kann mit Hilfe eines zusätzlichen Faktors, der eine alternative Termination der Translation initiieren kann, zur Bildung von verkürzten Proteinisoformen führen, die regulatorische Funktionen haben. Dieser in Bakterien noch nicht beschriebene Mechanismus ist konzeptionell vergleichbar mit dem Prinzip des alternativen Spleißens in Eukaryonten, das wesentlich zur Erweiterung der Diversität der genomkodierten Proteine und zur gewebespezifischen Genexpression beiträgt. Unsere Ergebnisse beschreiben somit einen gänzlich neuen Mechanismus der post-transkriptionalen Regulation der bakteriellen Genexpression, der eine Erweiterung der Komplexität und Vielfalt des bakteriellen Proteoms durch die MazF-abhängige Stressantwort erlaubt.