Die Funktion der redox-sensitiven periplasmatischen CSS-Domäne in der c-di-GMP-spezifischen Phosphodiesterase PdeC bei der Biofilmbildung in Escherichia coli

Der sekundäre Botenstoff c-di-GMP kommt in vielen Bakterienspezies vor und fördert dort die Bildung von Biofilmen. Für Abbau und Synthese von c-di-GMP in der Zelle sorgen Diguanylatzyklasen (DGCs) und Phosphodiesterasen (PDEs), an deren N-Terminus häufig Sensordomänen die enzymatische Aktivität steuern. In dieser Arbeit wurde die Regulation und Wirkungsweise einer Gruppe von PDEs mit einer neuartigen Sensordomäne, der CSS-Domäne, genauer charakterisiert. Die CSS-Domäne ist im Periplasma lokalisiert und besitzt zwei hochkonservierte Cysteine, von denen eines in dem namensgebenden CSS-Motiv arrangiert ist. Die Integration in die innere Membran erfolgt durch zwei Transmembrandomänen (TM1 und TM2), wobei TM2 die Verbindung zu der C-terminal gelagerten EAL-Domäne mit PDE-Aktivität herstellt. Die Analyse von PdeC als eine von fünf CSS-PDE in Escherichia coli K-12 zeigte, dass die Bildung einer Disulfidbrücke zwischen den konservierten Cysteinen vom oxidierende DsbA/DsbB-System katalysiert wird und zu einer Verminderung der enzymatischen Aktivität der EAL-Domäne führt. Im Gegensatz dazu führt die reduzierte freie Thiol-Form der CSS-Domäne zu einer stark erhöhten PDE-Aktivität verbunden mit der Dimerisierung über die TM2. Die Reduktion der CSS-Domäne führt außerdem zur Prozessierung durch die HtrA-Proteasen DegP und DegQ in ein membranständiges Fragment aus TM2+EAL-Domäne mit hoher enzymatischer Aktivität. Der Abbau durch DegP und DegQ im Periplasma ist sehr effizient. Auf der cytoplasmatischen Seite hingegen erfolgt die weitere Degradierung durch noch unbekannte Proteasen eher langsam, wodurch es unter bestimmten Bedingungen zur Akkumulierung der hochaktiven TM2+EAL-Form kommt. Durch das Zusammenspiel von redox-abhängiger Aktivitätskontrolle und Proteolyse der c-di-GMP-spezifischen PDE PdeC wird die Produktion der amyloiden Curli-Fasern und Cellulose reguliert, welche Hauptbestandteil der extrazellulären Matrix von Biofilmen sind.The second messenger c-di-GMP promotes biofilm formation in many bacterial species. Phosphodiesterases (PDEs) and diguanylatcyclases (DGCs) - often controlled by various N-terminal sensor domains - degrade and synthesize c-di-GMP. The aim of this study was to characterize the mode of activation and physiological function of a new class of sensor domains, the CSS domain, which is coupled to an EAL domain with PDE activity and therefore potentially controlling c-di-GMP degradation. The CSS sensor domain contains two highly conserved cysteins in the periplasmic loop, of which one is arranged in the characteristic CSS motif. Integration into the inner membrane is ensured by two flanking transmembrane domains (TM1 and TM2), with TM2 providing a connection to the C-terminal EAL domain. Analysis of PdeC as one of 5 CSS-PDEs in Escherichia coli K-12 revealed a close linkage to the disulfide bond (DSB) system as well as important periplasmic proteases. Thus, formation of a DSB between the two conserved cysteins is promoted by the oxidizing DsbA/DsbB-system and reduces enzymatic activitiy of the EAL domain. In contrast, the free thiol form increases PDE activity and dimerizes via the TM2 domain. Moreover, reduction of the CSS domain results in degradation by the periplasmic HtrA proteases DegP and DegQ. These redundantly process PdeC to a shorter fragment containing the TM2 and EAL domain only, which shows dimerization as well and has high PDE activity. Degradation in the periplasm mediated by DegP and DegQ is very efficient. In contrast, further proteolysis in the cytoplasm by yet unidentified proteases is rather slow, allowing the accumulation of the highly active TM2+EAL form. Finally, the interplay of redox dependent activity control and proteolysis of the c-di-GMP specific PDE PdeC regulates production of curli and cellulose as major matrix components of the bacterial biofilm