PpGpp

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ppGpp oder Guanosin-3',5'-bispyrophosphat ist das Signalmolekül einer bakteriellen Stressantwort, der Stringent response. Es ist ein Derivat des Guanosindiphosphats, das am 3'-Atom der Ribose eine zusätzliche Pyrophosphatgruppe trägt.

ppGpp wurde in zuerst in Escherichia coli entdeckt. In E. coli ist ppGpp ein Indikator für Nährstoffmangel.

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ppGpp Kreislauf

In E.coli wird das Vorläufermolekül pppGpp von zwei ppGpp-Synthetasen aus ATP und GTP hergestellt, RelA und SpoT. Eine 5'-Phosphohydrolase^[1] spaltet den P_i-Rest von pppGpp ab. RelA ist an die Ribosomen gebunden, fungiert als Sensor für unbeladene tRNAs und synthetisiert pppGpp bei Aminosäuremangel.^[2]. SpoT ist ein cytosolisches Protein^[3] und synthetisiert pppGpp bei Glukosemangel^[4]. Im Gegensatz zu RelA baut SpoT ppGpp zu Pyrophosphat und GDP ab.^[5] Die DNA-Sequenzen der relA- und spoT-Gene von E. coli sind ähnlich, somit handelt es sich um paraloge Gene. Im N-terminus finden sich jedoch Unterschiede, die sogenannte HD-Domäne; die in Hydrolasen vorkommt, ist im relA-Gen mutiert. ^[6].Deswegen kann RelA ppGpp nicht abbauen.

Funktion

ppGpp bindet an die RNA-Polymerase^[7] und hat einen tiefgreifenden Effekt auf die Transkription verschiedener Gene. Es verringert die Transkriptionsrate an rRNA-Genen und induziert die Transkription von Genen, die an der Aminosäurebiosynthese beteiligt sind. ppGpp ist ein globaler Regulator der Genexpression in E. coli. ^[8]

ppGpp in anderen Bakterien

Im Gegensatz zu E. coli und vielen anderen Bakterien verfügen manche Bakterien, z. B. Bacillus subtilis und viele andere grampositive Bakterien, nur über eine einziges ppGpp metabolisierendes Enzym, das ppGpp herstellt und abbaut.^[9] In vielen pathogenen Bakterien spielt ppGpp eine wichtige Rolle als globaler Regulator der Genexpression. Bei diesen Bakterien ist ppGpp sogar als Virulenzfaktor identifiziert:

• Mycobacterium tuberculosis^[10]
• Legionella pneumophila^[11]
• Pseudomonas aeruginosa^[12]
• Borrelia burgdorferi^[13]
• Vibrio cholerae^[14]
• Listeria monocytogenes^[15]
• verschiedene Brucella-Arten.^[16][17].

Somit stellt die ppGpp-Synthese einen bisher nicht identifizierten, möglichen Angriffsort für neuartige Antibiotika dar. In Streptomyces coelicolor und anderen Streptomyceten ist ppGpp für Antibiotikabiosynthese notwendig.^[18]
Bei Rhizobien ist ppGpp essentiell für die Symbiose zwischen Bakterium und Pflanze und für die Stickstofffixierung^[19] ,^[20].
Bei Archaeen wurde ppGpp bisher nicht nachgewiesen.

ppGpp in Pflanzen

ppGpp kommt auch in Pflanzen vor. Es wird in den Chloroplasten synthetisiert und spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Adaptation an veränderte Umweltbedingungen^[21]

Literatur

1. ↑ Keasling JD, Bertsch L, Kornberg A. Guanosine pentaphosphate phosphohydrolase of Escherichia coli is a long-chain exopolyphosphatase. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90, 7029-7033, 1993 PMID 8394006
2. ↑ Haseltine, W., Block, R. Synthesis of guanosine tetra- and pentaphosphate requires the presence of a codon-specific, uncharged transfer ribonucleic acid in the acceptor site of ribosomes. Proc. Natl. Acad. Sci USA 70, 1564-1568, 1973, PMID 4576025
3. ↑ Gentry, DR, Cashel, M. Subcellular localization of the Escherichia coli SpoT protein. J. Bacteriol. 177, 3890-3893, 1995, PMID 7601859
4. ↑ Hernandez, VJ, Bremer H. Escherichia coli ppGpp-synthetase II activity requires spoT. J. Biol. Chem. 266, 5991-5999, 1991, PMID 2005135
5. ↑ Murray, KD, Bremer, H. Control of spoT-dependent ppGpp synthesis and degradation in Escherichia coli. J. Mol. Biol. 259, 41-57, 1996, PMID 8648647
6. ↑ Aravind L, Koonin EV The HD domain defines a new superfamily of metal-dependent phosphohydrolases. Trends Biochem Sci. 12, 469-472, 1998 PMID 9868367
7. ↑ Artsimovitch I, Patlan V, Sekine S, Vassylyeva MN, Hosaka T, Ochi K, Yokoyama S, Vassylyev DG. Structural basis for transcription regulation by alarmone ppGpp. Cell 117, 299-310, 2004 PMID 15109491
8. ↑ Magnusson, LU, Farewell, A, Nystrom, T. ppGpp: a global regulator in Escherichia coli. Trends Microbiol. 13, 236-242, 2005, PMID 15866041
9. ↑ Mittenhuber G. Comparative genomics and evolution of genes encoding bacterial (p)ppGpp synthetases/hydrolases (the Rel, RelA and SpoT proteins). J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 3, 585-600, 2001 PMID 11545276
10. ↑ Warner DF, Mizrahi V. Tuberculosis chemotherapy: the influence of bacillary stress and damage response pathways on drug efficacy. Clin. Microbiol. Rev. 19, 558-570, 2006 PMID 16847086
11. ↑ Molofsky AB, Swanson MS, Differentiate to thrive: lessons from the Legionella pneumophila life cycle. Mol. Microbiol., 53:29-40, 2004 PMID 15225301
12. ↑ Erickson DL, Lines JL, Pesci EC, Venturi V, Storey DG. Pseudomonas aeruginosa relA contributes to virulence in Drosophila melanogaster. Infect. Immun. 72, 5638-5645, 2004 PMID 15385461
13. ↑ Bugrysheva JV, Bryksin AV, Godfrey HP, Cabello, FC. Borrelia burgdorferi rel is responsible for generation of guanosine-3'-diphosphate-5'-triphosphate and growth control. Infect. Immun. 73, 4972-81, 2005 PMID 16041012
14. ↑ Haralalka S, Nandi S, Bhadra RK. Mutation in the relA gene of Vibrio cholerae affects in vitro and in vivo expression of virulence factors. J. Bacteriol. 185, 4672-4682, 2003 PMID 12896985
15. ↑ Taylor CM, Beresford M, Epton HA, Sigee DC, Shama G, Andrew PW, Roberts IS. Listeria monocytogenes relA and hpt mutants are impaired in surface-attached growth and virulence. J. Bacteriol. 184, 621-628, 2002 PMID 11790730
16. ↑ Dozot M, Boigegrain RA, Delrue RM, Hallez R, Ouahrani-Bettache S, Danese I, Letesson JJ, De Bolle X, Kohler S. The stringent response mediator Rsh is required for Brucella melitensis and Brucella suis virulence, and for expression of the type IV secretion system VirB. Cell. Microbiol. 2006 PMID 16803581
17. ↑ Kim S, Watanabe K, Suzuki H, Watarai M. Roles of Brucella abortus SpoT in morphological differentiation and intramacrophagic replication. Microbiology. 151, 1607-1617, 2005 PMID 15870469
18. ↑ Martinez-Costa OH, Arias P, Romero NM, Parro V, Mellado RP, Malpartida F. A relA/spoT homologous gene from Streptomyces coelicolor A3(2) controls antibiotic biosynthetic genes. J. Biol. Chem. 271, 10627-10634, 1996 PMID 8631867
19. ↑ Moris M, Braeken K, Schoeters E, Verreth C, Beullens S, Vanderleyden J, Michiels J. Effective symbiosis between Rhizobium etli and Phaseolus vulgaris requires the alarmone ppGpp. J. Bacteriol. 187, 5460-5469, 2005 PMID 16030240
20. ↑ Calderon-Flores A, Du Pont G, Huerta-Saquero, A, Merchant-Larios H, Servin-Gonzalez L, Duran S. The stringent response is required for amino acid and nitrate utilization, nod factor regulation, nodulation, and nitrogen fixation in Rhizobium etli. J. Bacteriol. 187, 5075-5083, 2005 PMID 16030199
21. ↑ Takahashi K, Kasai K, Ochi K. Identification of the bacterial alarmone guanosine 5'-diphosphate 3'-diphosphate (ppGpp) in plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 101, 4320-4324, 2004 PMID 15010537