Strukturelle und funktionelle Untersuchungen des photophoben Rezeptor/Transducer-Komplexes aus Natronobacterium pharaonis

Abstract

Das sensorische Rhodopsin II aus dem Archaebakterium Natronobakterium pharaonis (NpSRII) ist verantwortlich für die photophobe Reaktion des Bakteriums auf blaues und grünes Licht. Dieser Photorezeptor bildet in der Membran einen 2:2-Komplex mit einem anderen Membranprotein, dem Transducer NpHtrII, der grosse strukturelle und funktionelle Homologien zu den eubakteriellen Chemorezeptoren aufweist. Nach Lichtanregung übeträgt das NpSRII ein Signal auf das NpHtrII, welches diese Information an die gekoppelte Signaltransduktionskaskade im Inneren der Zelle weiterleitet. Die diesem Prozess zugrundeliegenden Mechanismen wurden mit den Methoden der Lichtblitz-Induzierten zeitaufgelösten Absorptionsspektroskopie, der ESR-Spektroskopie von spinmarkierten Proteinen sowie der Röntgenkristallstrukturanalyse untersucht. Mittels zeitaufgelöster ESR-Spektroskopie konnte die Kinetik der Bildung des aktivierten Rezeptorzustandes ermittelt werden. Diese korreliert mit einem Übergang im sogenannten Photozyklus des Rezeptormoleküls, welcher nicht mit einer Transprotonierung innerhalb des Proteins gekoppelt ist, wie bisher angenommen. Auf der Grundlage von Strukturinformationen, welche ESR-Spektroskopisch gewonnen wurden, konnte zudem ein Modell des transmembranen Bereiches des Rezeptor/Transducer-Komplexes erstellt werden, welches weitere Aufschlüsse bezüglich des Mechanismus der Signalübertragung zwischen den beiden Proteinen erlaubte. Zudem gelang es, diesen Bereich des Komplexes auch für die Röntgenstrukturanalyse zugänglich zu machen. Mittels der Methode der Kristallisation in der sogenannten kubischen Lipidphase gelang es damit erstmals die Kristall-Struktur eines Komplexes von Membran-Proteinen aufzuklären. Durch die so gewonnenen Struktur-Daten konnte das Modell des Signalübertragungsmechanismus verfeinert werden. Anhand der vorliegenden Ergebnisse wird davon ausgegangen, dass die bereits zuvor postulierte Ausklappbewegung der Rezeptor-Helix F eine Schraubenbewegung der zweiten Transducer-Helix induziert. Im, sich dieser Transducer-Helix anschliessenden, Linker-Bereich wurde eine parallel zur Zellmembran verlaufende Helix identifiziert, welche über einen denkbaren Hebelarmmechanismus zu einer Verstärkung des Signals führt.

Sensory Rhodopsin II from the archaebacterium Natronobacterium pharaonis (NpSRII) is responsible for the photophobic response of the bacterium to blue and green light. This photoreceptor forms a 2:2-complex in the membrane with another membrane-protein, the transducer NpHtrII, which shows strong functional and structural homologies to the eubacterial chemoreceptors. After light induction a signal is transferred from NpSRII to NpHtrII, which transmits this information to the coupled signal-transduction cascade. The mechanisms underlying this process were studied using the methods of laserflash photolysis, EPR-spectroscopy on spin-labeled proteins and X-Ray-Crystallography. Applying the method of time-resolved EPR-measurements the kinetics of the formation of the active receptor state were resolved. The timecourse of this process correlates with a specific transition in the so called photocycle of the receptor molecule, which is not coupled to a transprotonation in the molecule as it was postulated up to date. On the basis of structural data obtained by EPR-spectroscopy a model for the transmembrane part of the receptor/transducer complex was developed, leading to a more refined model for the mechanism of signal transfer between the molecules. Additionally the transmembrane part of this complex was successfully crystallized in the so called lipidic cubic phase and the structure was solved by X-ray analysis. Herewith the X-ray structure of a complex of membrane proteins was resolved for the first time. The obtained structural data was used for further refinement of the model for the signalling mechanism. It was postulated on the basis of this data, that by the recently shown outward tilt of the receptor helix F a screw-like motion of the second transducer helix is induced. An additional Helix succeeding this transducer-helix, oriented parallel to the membrane, was identified, leading to a mechanism in which it acts as a lever-arm to amplify the observed signal.