Regulation of glutamate synthesis in Bacillus subtilis by the glutamate dehydrogenase RocG and the activator protein GltC

Bacillus subtilis kann eine Vielzahl von C-Quellen verwerten. Damit B. subtilis die C-Quelle effizient nutzen kann, müssen der C-Stoffwechsel und der N-Stoffwechsel genau aufeinander abgestimmt werden. Die Glutamatsynthese ist der Knotenpunkt zwischen diesen beiden Zweigen des Stoffwechsels. Bei der Glutamatsynthese wird durch die Glutamatsynthase (GOGAT) eine Aminogruppe auf α-Ketoglutarat, ein Schlüsselintermediat des C-Stoffwechsels, übertragen. Das bei dieser Reaktion gebildete Glutamat dient als Aminogruppendonor für die Biosynthese aller anderen Aminosäuren und der Nukleotide. In B. subtilis kann der Aminogruppendonor Glutamat nur durch die GOGAT synthetisiert werden. Das zweite, in vielen anderen Bakterien an der Glutamatsynthese beteiligte Enzym, die Glutamatdehydrogenase (GDH), ist in B. subtilis nur katabol aktiv. Es ist bekannt, daß die GOGAT beim Wachstum von B. subtilis mit Glukose zur Deckung des Glutamatbedarfs stark exprimiert wird. Unter diesen Bedingungen wird die Bildung der katabolen GDH durch Glukose reprimiert. Beim Wachstum von B. subtilis mit einer weniger bevorzugten C-Quelle und einer guten N-Quelle wird die katabole GDH stark exprimiert und die Expression der GOGAT verhindert. Die Expression der GOGAT ist abhängig von dem Aktivatorprotein GltC. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß die GDH neben ihrer enzymatischen Funktion im Glutamatstoffwechsel das Aktivatorprotein GltC inhibiert. Die genetischen Daten sprechen für eine Protein-Protein-Interaktion zwischen diesen beiden Proteinen. Die GDH kann das Aktivatorprotein GltC jedoch nur dann inaktivieren, wenn B. subtilis mit einer guten Glutamatquelle wächst, und die GDH enzymatisch aktiv ist. Durch diesen einzigartigen Regulationsmechanismus wird der Glutamatstoffwechsel in B. subtilis genau auf die verfügbaren Ressourcen des C- und N-Stoffwechsels abgestimmt.Bacillus subtilis is able to utilize a huge number of carbon sources. For efficient utilization of a carbon source both, carbon and nitrogen metabolism, have to be well coordinated. The synthesis of glutamate ist the link between both metabolic branches. The glutamate synthase (GOGAT) catalyzes the transfer of an amino group onto α-oxoglutarate, a key intermediate of the carbon metabolism. The synthesized glutamate serves as an amino group donor for the synthesis of other amino acids and nucleotides. In B. subtilis glutamate is exclusively synthesized by the GOGAT. In contrast to other bacteria the glutamate dehydrogenase (GDH) from B. subtilis is involved in glutamate degradation rather than in its synthesis. It is well known that the GOGAT is strongly expressed in presence of glucose to meet the increased requirement for glutamate, whereas the catabolic GDH is strongly repressed by glucose. In the absence of the preferred carbon source glucose the GDH is expressed and the expression of the GOGAT is inhibited. The expression of the GOGAT is dependent on the transcriptional activator protein GltC. In this work is shown that the GDH has two functions. Beside its enzymatic function the GDH is able to inactivate the activator protein GltC. The genetic data indicate that the catabolic GDH interacts with GltC. The inactivation of GltC by the GDH depends on the activity state of the glutamate degrading enzyme. The GDH has to be enzymatically active to inhibit the activator protein GltC. This unique regulatory mechanism allows the tight control of glutamate metabolism by the availability of carbon and nitrogen metabilism