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Proteolyse in Synechocystis sp. PCC 6803 : Funktion der Methionin-Aminopeptidase 2 und FtsH2-Protease für die Photosystem II-Stressresistenz

Proteolysis in Synechocystis sp. PCC 6803 : function of methionine-aminopeptidase 2 and FtsH2-protease for photosystem II stress resistance

Drath, Miriam


Originalveröffentlichung: (2008) Plant Physiology, DOI:10.1104, S.108.117218
pdf-Format: Dokument 1.pdf (3.861 KB)

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Freie Schlagwörter (Deutsch): Cyanobakterien , Methionin-Aminopeptidase , Ammoniak , FtsH2-Protease , Photosystem II
Freie Schlagwörter (Englisch): cyanobacteria , methionine-aminopeptidase , ammonia , FtsH2-protease , photosystem II
Universität Justus-Liebig-Universität Gießen
Institut: Institut für Mikrobiologie und Molekularbiologie
Fachgebiet: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.04.2008
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 22.04.2008
Kurzfassung auf Deutsch: Methionin-Aminopeptidasen sind essentielle und haben physiologisch wichtige Bedeutung in der post- und co-translationellen regulation von Proteinen in Pro- und Eukaryonten. Zu Beginn dieser Dissertation war bekannt, dass die Methionin-Aminopeptidasen (MetAP) 1-3 in Synechocystis sp. PCC 6803 funktionale Aminopeptidasen sind, allerdings waren die physiologischen Funktionen unbekannt. Die Analyse der MetAP2-defizienten Mutante in Synechocystis sp. PCC 6803 stellte ein Ziel dieser Arbeit dar und lieferte neue Erkenntnisse über deren physiologische Funktion.

Unter photoautotrophen Bedingungen zeigte die MetAP2-defiziente Mutante ein beeinträchtigtes Photosystem II (PSII). In vivo PSII-Analysen zeigten eine veränderte Chinon-(QB) Bindenische an der PSII-Akzeptorseite, da das 1,4-Benzochinon mit hoher Affinität in der QB-Akzeptorstelle interagiert und eine partielle Inhibierung bewirkt. Im Gegensatz dazu konnte der Photosynthese-Inhibitor DCMU mit geringerer Affinität in der QB-Bindenische der Mutante binden und inhibierte somit den Elektronentransport in der Gegenwart von subletalen DCMU-Konzentrationen nicht so stark wie im Wildtyp. Die innere Antenne des PSII in der MetAP2-defizienten Mutante ist ebenfalls beeinträchtigt, denn das CP47-Protein war geringer im PSII der Mutante assoziiert, als in den Wildtypzellen. Die reduzierte CP47-Antenne in der Mutante führte zu einer geringeren Saturierung des PSII unter hohen Lichtbedingungen. Der Mmap2-Phänotyp verstärkte sich unter Stressbedingungen, denn die MetAP2-defiziente Mutante war nicht in der Lage die PSII-Aktivität und ihre Lebensfähigkeit während der Chlorose und der Hochlichtexposition aufrecht zu erhalten. Somit ist die MetAP2 in Synechocystis sp. PCC 6803 essentiell für die Funktionalität und für die Reifung der PSII-Akzeptorseite.

Die Analyse der Expression der drei map-Gene in Synechocystis sp. PCC 6803 zeigte einen Anstieg der map-1- und map-2-Genexpression unter Stressbedingungen, wobei map-1 nur temporär hochreguliert wird. Zudem konnte gezeigt werden, dass die map-2-Expression durch den NtcA-Transkriptionsfaktor reguliert wird. In Cyanobakterien wurde das map-1-Gen bisher nur im Stamm Synechocystis sp. PCC 6803 gefunden, während das map-2-Gen auch in vielen anderen Stämmen, insbesondere den naheverwandten Arten sowie den komplexen filamentösen Gattungen vorhanden ist. Das in Cyanobakterien universell verbreitete map-3-Gen wurde unter photoautotrophen, exponentiellen Wachstumsbedingungen exprimiert während unter Stressbedingungen dessen Expression stetig abnahm.

Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Analyse der Ammoniak-Toleranz in Synechocystis-Zellen und die Wichtigkeit der Protease FtsH2 in diesem Prozess. Die zytotoxische Wirkung von Ammoniak auf photosynthetisch aktive Organismen war bekannt, allerdings ist der Mechanismus nicht eindeutig aufgeklärt. Zu Beginn dieser Arbeit war bekannt, dass Synechocystis sp. PCC 6803 tolerant gegenüber millimolaren Konzentrationen von Ammoniak ist, während die FtsH2-defiziente Zellen sterben.

Die Analysen dieser Arbeit zeigten, dass in FtsH2-defizienten Zellen innerhalb kurzer Zeit, in der Abhängigkeit von steigenden Ammoniak-Konzentrationen und steigenden Photonenfluenzraten die PSII-Aktivität inhibiert wird und die Zellen absterben (Ammoniak-induzierte Photoinhibition). Die Wildtypzellen waren sensitiv gegenüber Ammoniak, wenn der PSII-Reparaturzyklus gehemmt wurde. Zudem wurde beobachtet, dass der D1-Abbau durch die FtsH2-Protease in der Gegenwart von Ammoniak beschleunigt erfolgt.

Das Aktionspektrum der Ammoniak-induzierten Photoinhibition zeigte unter schwachem Blau- und UV-A-Licht die stärkste PSII-Reduktion von 65-85%. Da in diesem Wellenlängen-Bereich Schädigungen des Mangan-Komplexes erfolgen, wird vermutlich der wasserspaltende Komplex des PSII durch Ammoniak photosensibilisiert und die Photoinhibition dadurch beschleunigt. Die Chlorophyll a- und Phycobilisomen-absorbierenden Wellenlängen bewirkten keine PSII-Inhibition, was einen spezifischen Blau- und UV-A-Lichteffekt als primär schädigende Reaktion zeigte.