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Funktionelle Analyse konservierter Gene aus Cyanobakterien und Chloroplasten : Untersuchungen zur Funktion und physiologischen Relevanz der Synechocystis sp. PCC6803-Gene ycf34, ycf54 und ycf59

Functional analysis of conserved genes from cyanobacteria and chloroplasts : Studies on the function and physiological relevance of the genes ycf34, ycf54 and ycf59 of Synechocystis sp. PCC 6803

Wallner, Thomas


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URN: urn:nbn:de:hebis:26-opus-89041
URL: http://geb.uni-giessen.de/geb/volltexte/2012/8904/

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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: 11.07.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 30.07.2012
Kurzfassung auf Deutsch: Konservierten Chloroplasten-Leserahmen und ihren cyanobakteriellen Homologen wurden in zahlreichen Analysen wichtige, bisher unbekannte Funktionen innerhalb der Photosynthese und ihr assoziierten Prozessen zugeordnet. In der vorliegenden Arbeit werden funktionelle Untersuchungen zu drei dieser Chloroplasten-Leserahmen vorgestellt. Hierfür wurde das einzellige Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 verwendet, ein Modellorganismus für die Erforschung der oxygenen Photosynthese. Die Inaktivierung des ycf34-Gens führt in diesem Organismus zu einer Verminderung des photosynthetischen Elektronentransports, insbesondere bei niedriger Lichteinstrahlung. Mithilfe biophysikalischer Untersuchungen konnte eine Veränderung des Elektronentransports durch den Cytochrom-b6f-Komplex bestimmt werden, die vermutlich zu einer verminderten Transkription des cpcBAC2C1D-Operons führt. Dieses Operon kodiert strukturelle Einheiten der cyanobakteriellen Lichtsammelkomplexe, deren verminderte Abundanz und veränderte Komposition in ycf34--Zellen einen Wachstumsdefekt bei geringen Beleuchtungsintensitäten verursacht. Die biochemische Charakterisierung und spektroskopische Untersuchungen des rekombinant hergestellten Ycf34-Proteins identifizierten einen [4Fe-4S]-Cluster im Ycf34-Protein. Das membrangebundene Ycf34-Protein ist ein neues, bisher unbekanntes Eisen-Schwefel-Protein, welches mit Komponenten des photosynthetischen Elektronentransports in der Thylakoidmembran assoziiert.
In dieser Arbeit wurden auch die Funktionen der beiden Proteine CycI und CycII untersucht. Sie sind Isoformen einer der Untereinheiten der oxidativen Magnesium-Protoporphyrin XI monomethylester (MgProtoME) Cyclase, einem Enzymkomplex der Chlorophyll-Biosynthese. Beide Isoformen werden ebenfalls von zwei konservierten hypothetischen Chloroplasten-Leserahmen kodiert, ycf59. Das CycI-Protein ist die hauptsächlich unter Standardbedingungen agierende oxidative Cyclase, während das CycII-Protein erst bei Sauerstoffmangel produziert wird und dann zusammen mit CycI operiert. Außerdem sollte eine noch immer unbekannte, weitere Untereinheit der oxidativen MgProtoME-Cyclase identifiziert werden. Physiologische Untersuchungen von Mutanten des konservierten hypothetischen Chloroplasten-Leserahmen ycf54 deuten auf eine Funktion des Ycf54-Proteins in der von der Cyclase katalysierten Reaktion. Co-Immunopräzipitationen demonstrierten eine physikalische Interaktion zwischen den Proteinen Ycf54 und Ycf59, und erlauben damit den Schluss, dass das ycf54-Gen eine der fehlenden Untereinheiten der oxidativen Cyclase kodiert. Unterschiede und Gemeinsamkeiten zu den plastidären Homologen werden diskutiert.
Kurzfassung auf Englisch: Conserved chloroplast open reading frames and their cyanobacterial homologues have been assigned to important functions in photosynthesis and associated processes in several analyses. In the present work, functional of three of these chloroplast open reading frames are presented For this purpose the unicellular cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 was used, a model organism for investigations of oxygenic photosynthesis. The inactivation of the ycf34 gene results in an impairment of the photosynthetic electron transport in this organism, particularly under light limitation. Using biophysical studies we detected a change in the electron transport through the cytochrome-b6f-complex, which presumably leads to a reduced transcription of the cpcBAC2C1D operon. This operon encodes structural units of the cyanobacterial light-harvesting complexes. The reduced abundance and altered composition of the peripheral antennae in ycf34- mutant cells cause a severe growth defect under low intensities of light. The biochemical characterization and spectroscopic studies of the recombinant Ycf34 protein identified an [4Fe-4S] cluster in the Ycf34 protein. The membrane-bound protein Ycf34 is a new, previously unknown iron-sulphur protein migrating together with components of the photosynthetic electron transport within the thylakoid membranes during density gradient centrifugation.
This work also investigated the interaction of two proteins CycI and CycII. They are both isoforms of one of the subunits of the oxidative magnesium protoporphyrin XI monomethyl ester (MgProtoME) cyclase, an enzyme complex of chlorophyll biosynthesis. The cyclase catalyzes the cyclisation of the fifth ring within the chlorophyll molecule. Both isoforms are encoded by ycf59, two other conserved hypothetical chloroplast open reading frames. The CycI protein is the sole oxidative cyclase acting under standard conditions, while the CycII protein is induced under anaerobic conditions and then operates together with the CycI protein. Moreover, a still unknown subunit of the oxidative MgProtoME cyclase should be identified. Physiological studies of mutants of the conserved hypothetical chloroplast open reading frame ycf54 indicate an essential function of the Ycf54 protein in the reaction catalysed by the cyclase. Co-immunoprecipitations demonstrated a physical interaction between the proteins Ycf54 and Ycf59, and thus allow us to conclude that the ycf54 gene encodes one of the missing subunits of the oxidative cyclase. Differences and similarities to plastid homologues are discussed.
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