Mechanismus und Funktion von nicht-standarg circadianen Uhrsystemen in Cyanobakterien

Unsere Erde rotiert einmal in 24 h um ihre eigene Achse und determiniert damit den Tag-Nacht-Wechsel. Fast alle eukaryotischen Organismen können diesen Rhythmus vorhersehen, um sich auf den Wechsel von z. B. Licht und Dunkelheit vorzubereiten. Am deutlichsten können wir diese auch uns eigene innere Uhr bei Fernreisen wahrnehmen wenn wir unter einem Jetlag leiden. Dann behält unsere innere Uhr den alten Rhythmus für einige Zeit bei, passt sich dann aber an die Zeitverschiebung an. Damit sind bereits zwei wichtige Charakteristika einer circadianen Uhr benannt: diese hat einen von äußeren Einflüssen unabhängigen Freilauf, kann aber wieder neu eingestellt werden. Zudem ist der 24 Stunden Rhythmus temperatur-kompensiert. Nach dieser Definition haben unter den Prokaryoten nur die Cyanobakterien eine circadiane Uhr. Es gibt keine evolutionäre Verbindungen zwischen den Mechanismen der cyanobakteriellen und eukaryotischen Uhr. Der zugrunde liegende Oszillator besteht in Cyanobakterien aus nur drei Proteinen (KaiA, KaiB, KaiC), wird über Umgebungssignale kontrolliert und gibt seinerseits über Signalkomponenten die zeitliche Information an die gesamte Zelle weiter. Der Mechanismus dieser Uhr ist sehr gut untersucht und viele Komponenten der damit verbundenen Signaltransduktionsketten sind bekannt. Allerdings wurden fast alle Untersuchungen an einem Cyanobakterium (Synechococcus 7942) durchgeführt, das einen sehr robusten, langlebigen circadianen Rhythmus zeigt. Es mehren sich aber Hinweise, dass das etablierte Modell auf viele weit verbreitete sowie ökologisch und biotechnologisch relevante Arten nicht anzuwenden ist. In diesem Projekt beschäftigen wir uns vor allem mit der inneren Uhr von Synechocystis 6803, einem Modellorganismus für die Grundlagenforschung und angewandte Fragestellungen. Das Genom dieses Cyanobakteriums kodiert drei KaiC-Proteine, die unterschiedliche biochemische Eigenschaften aufweisen. Zwei der Proteinvarianten haben Ähnlichkeiten zu Proteinen aus nicht-photosynthetischen Bakterien und Archaea. Durch die Kombination bioinformatischer, biochemischer und genetischer Ansätze haben wir im vorrangegangenen Projektzeitraum Fragen zu Vorkommen und Funktionsweise verschiedener Kai-Proteine beantwortet. Die diurnale und circadiane Genexpression wurde in Synechocystis 6803 ausführlich untersucht und mit der Funktionalität des Oszillators verglichen. Für den zweiten Projektzeitraum planen wir vor allem die weitere Untersuchung der Funktionsweise der Uhr in Synechocystis 6803 mit einem Fokus auf den zusätzlichen Kai-Proteinen und der Signalweiterleitung der Zeitinformation an spezifische Regulatoren der Zellantwort. Ein weiterer Schwerpunkt wird die Untersuchung der Interaktion zwischen den potenziellen Oszillator-Komponenten der Uhr sowie eine biochemische Charakterisierung von KaiC-Proteinen aus verschiedenen Cyanobakterien und anderen Prokaryoten sein.

Projektbeginn: 01.03.2016
Projektende: 28.02.2019

Annegret Wilde

Ilka Axmann

Institut für Biologie III
Molekulare Genetik der Prokaryoten
Schänzlestr. 1
79104 Freiburg

Telefon: ++49-761-203-97828
Fax: ++49-761-203-2745
Email: annegret.wilde@biologie.uni-freiburg.de
https://www.bakteriengenetik.uni-freiburg.de/

Ilka Axmann, Universität Düsseldorf

• DFG, DFG

• Axmann IM, Hertel S, Wiegard A, Dorrich AK, Wilde A: Diversity of KaiC-based timing systems in marine Cyanobacteria. Mar Genom, 2014; 14: 3-16. : http://dx.doi.org/10.1016/j.margen.2013.12.006
• Dorrich AK, Mitschke J, Siadat O, Wilde A: Deletion of the Synechocystis sp. PCC 6803 kaiAB1C1 gene cluster causes impaired cell growth under light-dark conditions. Microbiol-uk, 2014; 160 (Pt 11): 2538-2550. : http://dx.doi.org/10.1099/mic.0.081695-0
• Wiegard A, Dorrich AK, Deinzer HT, Beck C, Wilde A, Holtzendorff J, Axmann IM: Biochemical analysis of three putative KaiC clock proteins from Synechocystis sp. PCC 6803 suggests their functional divergence. Microbiol-uk, 2013; 159 (Pt 5): 948-958. : http://dx.doi.org/10.1099/mic.0.065425-0