title: Charakterisierung des Esp Signalosoms: Zwei Hybridhistidinkinasen benutzen einen neuen Signaltransduktionsmechanismus um den Entwicklungszyklus von Myxococcus xanthus zu regulieren.
title: Characterization of the Esp signalosome: Two hybrid histidine kinases utilize a novel signaling mechanism to regulate developmental progression in Myxococcus xanthus.
Creators: name: Schramm, Andreas
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Two component system
Zweikomponentensystem
Biowissenschaften, Biologie
Protein-Histidin-Phosphatase
Protein-Histidin-Kinasen
Myxococcus xanthus
Proteolysis
Hybrid histidine kinase
Signaltransduktion
Phosphatase activity
Proteolyse

description: Histidin-Aspartat
      Signaltransduktionssysteme werden von Bakterien, Archaeen
      sowie Eukaryoten verwendet, um Signale zu integrieren und
      weiter zu verarbeiten, um auf diese Weise eine koordinierte
      und gut abgestimmte zelluläre Antwort hervorzurufen. Ein
      Charakteristikum dieser Systeme sind ihre hoch modularen
      Signalübermittlungsmodule, welche sowohl einfache
      „Zweikomponentensysteme“ als auch komplexe
      „Multikomponentensysteme“ bilden können. Das
      Deltaproteobakterium Myxococcus xanthus besitzt eine
      beträchtliche Anzahl solcher Signaltransduktionsproteine, von
      denen viele in der Regulation seines komplexen,
      multizellulären Entwicklungszykluses involviert sind. Eines
      dieser Signaltransduktionssysteme ist das Esp System, welches
      aus der Hybridhistidinkinase, EspA, zwei
      Serin/Threonin-kinasen (PktA5 und PktB8) und einem
      hypothetischen Transportprotein (EspB) besteht. Mit der
      vorliegenden Studie ordne ich dem Esp System eine weitere
      Hybridhistidinkinase zu, EspC, welche in der Lage ist, den
      Ablauf des Entwicklungsprogrammes zu verlangsamen. Die
      genetischen Studien zeigten auf, dass EspC eine essentielle
      Komponente des Esp Systems ist, da die Deletionsmutanten
      ΔespA, ΔespC und auch die Doppelmutante ΔespAΔespC den
      gleichen verfrühten Phänotyp bezüglich des Ablaufes des
      Entwicklungsprogrammes zeigen. Überraschenderweise führte das
      Blockieren der Autophosphorylierung von EspC in vivo zu
      keinem Defekt des Entwicklungszyklusses, wohingegen der
      Austausch des phosphatempfangenden Aspartats in der
      Empfängerdomäne von EspC den gleichen Effekt hatte, wie die
      vollständige Deletion von EspC. Des Weiteren wurde deutlich,
      dass obgleich die Kinasedomäne von EspC eine effiziente
      Autophosphorylierung in vitro zeigte, sie hingegen nicht dazu
      fähig war, Phosphatgruppen auf die Empfängerdomäne von EspC
      zu übertragen. Stattdessen konnte sowohl in in vivo als auch
      in vitro Analysen gezeigt werden, dass die Kinasedomäne von
      EspA Phosphatgruppen auf die Empfängerdomäne von EspC
      übertragen kann. Aus diesen Gründen postuliere ich, dass EspA
      und EspC einen bisher unbekannten
      Signaltransduktionsmechanismus verwenden, der sowohl inter-
      als auch intraproteinogene Phosphorylierung beinhaltet. Der
      Effekt dieses Mechanismus ist die Phosphorylierung beider
      Empfängerdomänen, der von EspA und EspC. Weitere genetische
      Analysen ließen zudem vermuten, dass die zelluläre Antwort
      des Esp Systems auf der Ebene der Phosphataseaktivität
      reguliert wird, welche eventuell durch die Sensordomänen von
      EspC moduliert wird. Abschließend fand ich heraus, dass das
      Esp System den proteolytischen Verdau des zentralen,
      entwicklungsspezifischen Transkriptionsfaktors MrpC über eine
      noch nicht identifizierte Protease reguliert. Zusammengefasst
      legen diese Daten einen neuen Signaltransduktionsmechanismus
      innerhalb der Histidin-Aspartat Signaltransduktionsfamilie
      offen und erweitern damit die Kenntnisse über die Komplexität
      und Plastizität dieser essentiellen Systeme.
description: Histidine-aspartate signaling
      systems are used by bacteria, archaea and eukarya to
      integrate stimuli over time and space generating coordinated,
      fine-tuned cellular responses. A hallmark feature is the high
      modularity of the signaling protein modules which can form
      simple ’two-component‘ systems, and also sophisticated
      ’multi-component’ systems. The deltaproteobacterium
      Myxococcus xanthus contains a large repertoire of signaling
      proteins, many of which regulate its complex multicellular
      developmental program. In this respect, one important systems
      is the Esp signaling system, consisting of the hybrid
      histidine protein kinase, EspA, two serine/threonine protein
      kinases (PktA5 and PktB8), and a putative transport protein
      (EspB). In the presented study, I assign an orphan hybrid
      histidine protein kinase, EspC, to the Esp signaling system
      which negatively regulates progression through the M. xanthus
      developmental program. The genetic analysis revealed that
      EspC is an essential component of this system, because ΔespA,
      ΔespC, and ΔespAΔespC double mutants shared an identical
      early developmental phenotype. Surprisingly, disruption of
      EspC’s auto-phosphorylation in vivo did not produce a mutant
      developmental phenotype, whereas substitution of its
      phospho-accepting residue within the receiver domain resulted
      in the null phenotype. Furthermore, it is shown that although
      the EspC histidine kinase could efficiently autophosphorylate
      in vitro, it did not act as a phospho-donor to its own
      receiver domain. Instead, both, in vitro and in vivo analyses
      elucidated that the phospho-donor instead is EspA’s histidine
      kinase. Therefore, EspA and EspC participate in a novel
      hybrid histidine protein kinase signaling mechanism involving
      both inter- and intraprotein phosphotransfer. This inter- and
      intraprotein phosphotransfer results in the combined
      phosphorylation of EspA’s and EspC’s receiver domains which
      represents the output of the Esp signaling system. Further
      genetic analyses suggested that this Esp system is regulated
      on the level of its phosphatase activity, likely involving
      the sensing domains of EspC for regulation. Finally, I
      uncovered that the Esp system stimulates the proteolytic
      turnover of MrpC, a crucial transcription factor of the
      developmental program, via as yet unidentified serine
      protease. Altogether, these data unravel a novel signaling
      mechanism of His-Asp signaling systems, and thus expand the
      knowledge about the complexity and plasticity of these
      crucial signal transduction systems.