Bacterial chemoreceptors: membrane boundaries and functional correlates of oligomeric state

Abstract

Die Fähigkeit auf Signale in der Umgebung reagieren zu können ist eine Eigenschaft von fundermentaler Bedeutung für alle lebenden Zellen. Beispiele hierfür sind die Detektion von Licht durch Retinazellen, die Induktion von Differenzierung durch Wachstumsfaktoren oder die Bewegung von Bakterien in Richtung von Nährstoffen. Bakterielle Chemotaxis, die Bewegung von Bakterien auf Attraktans zu oder von Repellens fort, dient als Modelsystem um zu untersuchen, wie Signale in eine Zelle transduziert und in eine entsprechende Antwort übersetzt werden. Das Chemotaxissystem des Bakteriums Escherichia coli ist eines der best charakterisierten Signalsysteme. Entscheidende Komponente eines jeden Signalsystems sind Rezeptoren, welche verantwortlich sind für die ersten Schritte im Signaltransduktionsprozess. Bakterielle Chemorezeptoren sind transmembrane Proteine, welche in der cytoplasmatischen Membran eingebettet sind. Die Polypeptidketten der Rezeptoren besitzen zwei Segmente, welche die Membran durchspannen, die präzisen Membrangrenzen sind allerdings nicht identifiziert. Zelluläre Signale werden sehr häufig in Phoshorylierungskaskaden durch Proteinkinasen vermittelt. Chemorezeptoren erkennen Signale in der Umgebung, vermitteln das Signal durch die Membran und kontrollieren die Aktivität einer intrazellulären Kinase. Adaption an konstante Stimuli wird bewerkstelligt wird durch kovalente Modifikation des Rezeptors. Chemorezeptoren existieren als Homodimere, es wurden aber auch höhere oligomere Zustände beobachtet und es wurde vorgeschlagen, dass höhere oligomere Zustände von Bedeutung sind für die Funktion von Rezeptoren. Eine direkte Korrelation von Rezeptorfunktion und oligomerem Zustand ist noch nicht etabliert worden.<br /> Ziel dieser Dissertation war es, die Membrangrenzen an Chemorezeptoren zu untersuchen und den Zusammenhang zwischen oligomerem Zustand und Funktion von Chemorezeptoren zu erforschen. Die Ergebnisse dieser Arbeit erlauben es, die Membrangrenzen präzise zu definieren und eine Korrelation zwischen oligomerem Zustand und Funktion zu identifizieren. Membrangrenzen definiert durch die Versuche liegen weiter innen als von der Aminosäuresequenz erwartet. Die Ergebnisse brachten neue Information über den Aufbau von Chemorezeptoren und regen an, dass eine derartige experimentelle Untersuchung auch für andere Proteine durchgeführt wird. Nur sehr für wenige Proteine wurden bisher Membrangrenzen experimentell definiert, die verwendete Technik stellt eine bequeme Methode mit minimalem Eingriff dar. Die Korrelierung von Rezeptorfunktion und oligomerem Zustand brachte neue Einblicke. Sie zeigte, dass unterschiedliche Rezeptorfunktionen von Rezeptoren in unterschiedlichen oligomeren Zuständen vermittelt werden. Im Zuge der Festlegung des oligomeren Zustandes der Rezeptoren wurde eine neue Technologie adaptiert, die entwickelt wurde um Membranproteine in einer nativen Umgebung zu isolieren. Diese Technik wird von weittragender Bedeutung für die Untersuchung von Membranproteinen se

A feature of fundamental importance for all living cells is the ability to respond to signals from the environment. Examples of this basic property are the detection of light by retinal cells, the induction of differentiation by growth factors or the movement of bacteria towards nutrients. Bacterial chemotaxis, the movement of bacteria towards attractants and away from repellents, serves as a model system to study how signals are transduced into the cell and processed into proper responses. The chemotaxis system of the bacterium Escherichia coli is one of the best characterized signaling systems. Crucial constituents of any signaling system are receptor proteins which are responsible for initial steps in the signal transduction process.<br />Bacterial chemoreceptors are transmembrane proteins which reside in the cytoplasmic membrane. While the receptor polypeptide chains are known to have two membrane spanning segments, the precise membrane boundaries have not been identified. Cellular signaling is commonly communicated in a phosphorylation cascade through protein kinases. Chemoreceptors recognize changes in the chemical environment, mediate transmembrane signaling and control the activity of an intracellular kinase.<br />Chemoreceptors are also involved in adaptation to constant stimuli, which is accomplished through covalent modification of the receptor. While chemoreceptors are thought to exist as homodimers, higher oligomeric states have been observed and suggested to be important for receptor function. However, a rigorous direct correlation between the different receptor functions and oligomeric state has not been established.<br />Aim of this thesis was to explore the location of the membrane boundaries of chemoreceptors and to investigate the relationship between oligomeric state of chemoreceptors and chemoreceptor functions. The results of this work allowed to precisely define membrane boundaries and to identify a correlation between oligomeric state and function. Membrane boundaries defined by the experiments are located interior to boundaries expected from sequence. The results provide new information about chemoreceptor organisation and suggest an experimental definition of membrane boundaries for other transmembrane proteins. Thus far membrane boundaries have been determined experimentally only for few proteins and the technique employed in this study provides a convenient and minimally perturbing approach. Correlating receptor functions and oligomeric state provided novel insight, demonstrating that different receptor functions are mediated by receptor in different oligomeric states. In the course of defining the oligomeric state of receptors we adapted a novel technology which was recently developed to isolate receptor in a native environment. This technique will be of wide importance in studying transmembrane proteins.<br />