Zellphysiologie: Rezeptor mit zwei Messfühlern

Bakterien sind Überlebenskünstler, die ihre Zellfunktionen auch bei stark schwankenden Umweltbedingungen stabil halten. Rezeptoren bzw. Sensorproteine, die Umweltinformationen aufnehmen und an Regulatorproteine weitergeben, spielen dabei eine wichtige Rolle.

LMU-Biologen um Professor Kirsten Jung haben nun in Zusammenarbeit mit Physikern um Professor Ulrich Gerland (TU München) die Mechanismen aufgeklärt, mit denen das Sensorprotein KdpD die optimale Kaliumversorgung der Zelle sicher stellt.

Entscheidend ist dabei: Der Sensor misst den Kaliumgehalt sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle – eine duale Strategie, die besonders bei wechselnden Umweltbedingungen vorteilhaft ist. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Cell Reports.

Kalium ist für viele Zellfunktionen essenziell, etwa für die Regulation von Turgordruck und pH-Wert. Eine präzise Steuerung des Kaliumhaushalts ist daher lebenswichtig. Dabei stehen Bakterien, wie zum Beispiel Escherichia coli, vor dem Problem, dass die Kaliumkonzentration in der Umgebung stark schwankt und auch der Kaliumbedarf der Zelle selbst variiert – eine schnell wachsende Zelle benötigt mehr Kalium als eine langsam wachsende.

Das Sensorprotein KdpD sorgt trotz dieser komplexen Bedingungen für eine optimale Kaliumversorgung: Ist die Kaliumkonzentration in der Umgebung niedrig, wirkt KdpD als sogenannte Kinase und überträgt eine Phosphatgruppe auf ein Regulatorprotein im Zellinneren – was wiederum die Bildung eines Transportermoleküls (KdpFABC) initiiert, das Kalium in die Zelle befördert.

Wenn demgegenüber viel Kalium vorhanden ist und die Zelle keinen zusätzlichen Bedarf hat, wirkt KdpD als sogenannte Phosphatase, die die Aktion der Kinase rückgängig macht, indem sie die vorher übertragene Phosphatgruppe wieder entfernt. Damit wird die Produktion des Transportermoleküls gestoppt.

Duale Sensorik

„Wie diese Doppelfunktion reguliert wird, war bisher unbekannt“, sagt Jung. Die Wissenschaftler haben nun nachgewiesen, dass dabei eine duale Strategie eine entscheidende Rolle spielt: KdpD reicht als sogenannter Transmembranrezeptor durch die Zytoplasmamembran hindurch und besitzt zwei Erkennungsregionen für Kalium, eine von außen und eine von innerhalb der Zelle zugängliche. Wenn Kalium an die externe Erkennungsstelle bindet, wird die Kinaseaktivität inhibiert. Bindet Kalium dagegen an die interne Bindungsstelle, wird die Phosphataseaktivität aktiviert.

„Die Zelle kann damit sowohl bei niedrigen Kaliumkonzentrationen in der Umgebung als auch bei einem erhöhten zellulären Bedarf die Produktion des Kaliumtransporters anschalten – und zwar durch eine Feinjustierung des Verhältnisses von Kinase- und Phosphataseaktivität. Dies ermöglicht auch unter fluktuierenden Bedingungen eine sehr präzise Steuerung des Kaliumgehalts in der Zelle“, sagt Jung.

„Wir vergleichen dieses Prinzip mit modernen Heizungssystemen, die die Temperatur mithilfe von Außen- und Innenthermometern konstant halten. Im Gegensatz zu diesem technischen System hat die Natur eine All-in-one-Lösung etabliert, die Außen- und Innensensor in einem Protein vereint.“ Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass auch andere an der Steuerung wichtiger Prozesse beteiligte Rezeptoren bisher unerkannte duale Sensoren sind und wollen nun weitere Rezeptoren hinsichtlich dieser Eigenschaft untersuchen.

Publikation:
A dual-sensing receptor confers robust cellular homeostasis
Hannah Schramke, Filipe Tostevin, Ralf Heermann, Ulrich Gerland and Kirsten Jung
Cell Reports 2016

Kontakt:
Prof. Dr. Kirsten Jung
Department Biologie I, Ber. Mikrobiologie
Telefon: +49 (0)89 / 2180-74500/ -74508
E-Mail: jung@lmu.de;
Web: www.mikrobiologie.biologie.uni-muenchen.de/personen/kjung/jung_k/index.html