Riboregulation in der bakteriellen Anpassung zur Umwelt: Neue Funktionen der RNase E, RNase III und des kleinen RNA-Bindeproteins CcaF1

Abstract

Ribonuklease E (RNase E) ist die wohl einflussreichste Endoribonuklease in Gram-negativen Bakterien. Als häufig essentielles Enzym, ist RNase E an der Prozessierung zahlreicher RNA-Spezies beteiligt. Um das transkriptomweite Wirkspektrum der RNase E zu untersuchen, wurden in den letzten Jahren Mutanten mit thermosensitiven RNase E Enzymen mittels TIER-seq analysiert. Dabei wurden >20.000 RNase E-abhängige RNA 5‘-Enden in den Transkriptomen von Salmonella enterica, Vibrio cholerae und Rhodobacter sphaeroides detektiert. In R. sphaeroides führte die Reduktion der RNase E Aktivität interessanterweise neben einer veränderten Stressresistenz zu einem schwerwiegenden Wachstumsdefizit unter phototrophen Bedingungen. Eine aktuelle Folgeuntersuchung dieses Phänotyps ergab, dass wichtige Transkriptionsaktivatoren der Photosynthese-Gene in R. sphaeroides RNase E-abhängig reguliert werden. Weiterhin zeigen die Daten, dass RNase E eine Funktion in der Umweltbedingungs-abhängigen Kontrolle der RNA-Abbauraten besitzt. Während die mRNA-Stabilitäten dreier wichtiger Transkriptionsregulatoren unter mikroaeroben Bedingungen nicht signifikant beeinflusst wurden, führte die verminderte Enzymaktivität unter phototrophen Bedingungen zu einer signifikanten Veränderung der RNA-Halbwertszeiten. Als eine der wenigen bekannten Doppelstrang-spezifischen Endoribonukleasen besitzt RNase III ebenso wie RNase E eine wichtige Bedeutung in der bakteriellen Genregulation. Im Vergleich zur RNase E ist RNase III jedoch deutlich stärker konserviert und kommt in allen bekannten Bakterien und Eukaryonten vor. Dabei ist RNase III schon seit längerer Zeit für ihre Beteiligung an der Reifung bakterieller rRNAs bekannt. Spätestens mit der Entdeckung zahlreicher neuer sRNAs in den letzten 15 Jahren, welche RNA-RNA Hybride mit zellulären Ziel-mRNAs bilden können, ist RNase III als globaler Regulator der Genexpression wieder in den Fokus der Forschung gerückt. Neuere RNA-seq Studien konnten insbesondere unter den sRNA-mRNA-Hybriden zahlreiche Substrate der RNase III identifizieren und somit wichtige Funktionen des Enzyms zum Beispiel in der Antibiotikaproduktion, Virulenz, Reifung von CRISPR-RNAs oder Regulation von Toxin/Anti-Toxin-Systemen aufzeigen. Eine kürzlich durchgeführte Studie zur RNase III in R. sphaeroides demonstrierte hierbei neben interessanten Funktionen in der Stressresistenz und der Ausbildung des Photosynthese-Apparates erstmals eine Beteiligung des Enzyms im bakteriellen Quorum sensing System. RNA-Bindeproteine regulieren die Genexpression indem sie mit zellulären Transkripten interagieren und so die intramolekulare RNA-Faltung, intermolekulare Basenpaarungen oder die Zugänglichkeit von RNase-Schnittstellen beeinflussen. Das kleine DUF1127-Protein CcaF1 wurde kürzlich als neuartiges RNA-Bindeprotein in R. sphaeroides identifiziert. Ein Vergleich der mittels RIP-seq identifizierten CcaF1 Bindepartner ergab ein nur teilweise überlappendes Bindespektrum unter mikroaeroben und phototrophen Wachstumsbedingungen. Eine Interaktion mit der Pigmentbindeprotein-kodierenden pufBA mRNA wurde sowohl unter mikroaeroben als auch unter phototrophen Bedingungen mittels RIP-seq Analyse nachgewiesen. Interessanterweise hatte die Überexpression von CcaF1 einen gegensätzlichen Effekt auf die Stabilität von pufBA unter den beiden Bedingungen: Während unter mikroaeroben Bedingungen eine Destabilisierung von pufBA beobachtet wurde, wirkte die Überexpression von CcaF1 unter phototrophen Bedingungen stabilisierend auf pufBA. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem gegenwärtigen Stand der Forschung zur posttranskriptionellen Genregulation in Bakterien, indem schrittweise aktuelle Forschungsergebnisse zur Funktion der RNase E und RNase III sowie des neuartigen RNA-Bindeproteins CcaF1 aus R. sphaeroides im Kontext des aktuellen Wissensstandes diskutiert werden. Darüber hinaus leistet diese Arbeit einen wichtigen wissenschaftlichen Beitrag, da sie die Auswirkungen unterschiedlicher Umweltbedingungen auf die posttranskriptionelle Genregulation untersucht und anhand dessen neue Funktionen von RNase E, RNase III und CcaF1 aufdeckt.