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Thu, 27 Aug 2009 12:00:00 +0100 https://edoc.ub.uni-muenchen.de/13509/ https://edoc.ub.uni-muenchen.de/13509/1/Pribil_Mathias.pdf Pribil, Mathias ddc:570, ddc:500, Fakultät für Biologie

Etwa 30% aller Gene codieren für Membranproteine (MP). Trotz ihrer hohen Relevanz, speziell im medizinischen Bereich, stellt die Analyse von MP aufgrund ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften ein häufiges Problem in der Proteinbiochemie dar. Diese Arbeit soll eine Einsicht in die Problematik geben sowie Lösungsansätze aufzeigen, um den Umgang mit diesen Polypeptiden zu vereinfachen. Ein geeignetes Modellsystem zum Studium der Eigenschaften membranintegraler Proteine und Peptide sowie zur Verbesserung der bestehenden Analysemethoden stellte die Thylakoidmembran der Plastide dar. Um das funktionelle Proteom der Thylakoidmembran zu definieren, wurden die Proteinkomplexe der Thylakoidmembran von Gerste (Hordeum vulgare) über hochauflösende 2D-Blue Native /SDS-Polyacrylamidgelelektrophorese (PAGE) getrennt. Das Gelsystem erlaubte die Isolation der photosynthetisch aktiven Proteinkomplexe PSI/LHCI, PSII, LHCII, Cytochrom b6/f und ATPase in unterschiedlichen Assemblierungszuständen. Im Fokus der Untersuchungen stand die Charakterisierung der isolierten Subkomplexe von PSII. Die Identifikation der Komplexuntereinheiten erfolgte nach enzymatischem In-Gel Verdau und massenspektrometrischer Analyse der entstandenen Peptide (offline nanoESI-MSMS). MP > 10 kDa wurden ausschließlich über Peptide aus den löslichen Abschnitten identifiziert. Die Analyse der niedermolekularen Untereinheiten (< 10 kDa) wurde auf Ebene des Gesamtproteins nach Extraktion aus den Komplexbanden der BN-PAGE realisiert. Dabei konnten dem mono- und dimeren PSII-Subkomplex folgende niedermolekularen UEn zugeordnet werden: PsbE, PsbF, PsbI, PsbK, PsbL, PsbM, PsbTc und PsbX. Da kein Unterschied in der Zusammensetzung des mono- und dimeren PSII-Subkomplexes existierte, konnte eine Beteiligung einer der niedermolekularen UEn an der Ausbildung des dimeren PSII-Subkomplexes im Rahmen der Assemblierung nicht bestätigt werden. Die Lichtsammelproteine (LHCP) des LHCII wurden nach 2D BN/SDS-PAGE auf Ebene der Superkomplexe oder abgetrennt als Mono- und Trimerer LHCII-Subkomplex identifiziert, wobei das Trimer durch das Fehlen der minoren LHCP (CP29, CP26 und CP24) charakterisiert war. Die für Membranproteine der Thylakoide ungewöhnlich hydrophilen LHCP erhielten die benötigte Hydrophobizität zur Durchspannung der Membran über die Bindung von Pigmenten (Chlorophyll). Eine eindeutige Unterscheidung der Genprodukte von Lhcb1-3 war trotz extremer Sequenzhomologie über die Detektion eines charakteristischen Peptids im N-terminalen Bereich der maturen Sequenz möglich. In Gerste wurde somit jeweils eine Form von Lhcb2 und 3, sowie sechs Isoformen von Lhcb1 identifiziert. Um den In-Gel Verdau von Proteinen nach elektrophoretischer Trennung zu vereinfachen und zu standardisieren, wurde ein Reaktionsgefäß (OMX-S®) aus Polypropylen entwickelt. Im Zuge der Anpassung des konventionellen Protokolls zum In-Gel Verdau von Proteinen für OMX-S® wurde ein optimiertes Verdauprotokoll entwickelt, das ohne die Reaktionsschritte Entfärbung, Reduktion & Alkylierung der AS Cystein sowie eine multiple Extraktion zur Anreicherung der entstandenen Peptide auskommt. Die Erhöhung der Reaktionstemperatur auf 50°C und die Verkürzung der Diffusionsstrecke für die Protease erhöhten zudem die Effizienz des Verdaus und führten zu einer Reduktion der gesamten Prozesszeit von 6-24 h auf 1 h. Welche Auswirkung die Auslassung einzelner Reaktionsschritte auf die Peptidausbeute hatte, wurde nach differentieller Isotopenmarkierung der generierten Peptide mittels massenspektrometrischer Analyse quantifiziert. Da jeder Prozessierungsschritt eine potentielle Quelle für Verluste darstellte, waren die Peptidausbeuten im Vergleich zum konventionellen In-Gel Verdau äquivalent oder sogar besser. Unabhängig vom verwendeten Verfahren, fehlten die membranintegralen Peptide in den Spektren. Folglich wurde die Detektierbarkeit und Signalintensität von tryptischen Peptiden in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren untersucht. Dabei ergab sich eine direkte Korrelation zwischen der Proteinmenge einer Bande und der Anzahl, der nach Verdau detektierten Peptide. Die Untersuchungen an Peptiden aus löslichen und membranintegralen Proteinen ergaben, dass die Hauptursache für das Fehlen letzterer, nicht auf den Einfluss bestimmter AS auf die Ionisierbarkeit, die Sequenzlänge und/oder die Hydrophobizität zurückzuführen war. Entscheidend für die Abwesenheit der membranintegralen Peptide war vielmehr die schlechte Zugänglichkeit der Schnittstellen für die Protease, aufgrund unzureichender Denaturierung der Sekundärstruktur bzw. der Aggregation hydrophober Abschnitte im Rahmen der Probenaufarbeitung.

Plants respond to changes in illumination conditions by modifying the thylakoid proteins post-translationally and by reorganizing the photosynthetic machinery. However, the mechanisms that characterize the short-term and the long-term responses are different. In the first case, the organism reacts to rapid illumination changes via phosphorylation of photosystem II (PSII) and light-harvesting (LHCII) proteins. Phosphorylation of PSII is thought to be relevant for PSII turnover, whereas LHCII phosphorylation is required for state transitions, which ensure the redistribution of the excitation energy between the two photosystems. Long-term imbalances in the energy distribution elicit changes in the composition and stoichiometry of the photosynthetic apparatus (photosynthetic acclimation). Two types of thylakoid protein kinases have been previously associated with LHCII phosphorylation, the TAK (thylakoid-associated kinase) proteins in Arabidopsis thaliana and Stt7 in Chlamydomonas reinhardtii. This work shows that the TAK proteins (TAK1, TAK2, and TAK3) are neither involved in LHCII phosphorylation nor in state transitions. In addition, evidences are provided that exclude any role of TAK2 and TAK3 in the photosynthetic electron flow. In Arabidopsis, two Stt7-like proteins exist, STN7 and STN8. Loss of STN7 blocks both LHCII phosphorylation and state transitions, indicating that this protein is a genuine Stt7 homolog. In contrast, STN8 is required for the quantitative phosphorylation of PSII core proteins. PSII activity under high-intensity light is affected only slightly in stn8 mutants, and D1 turnover is indistinguishable from the wild-type (WT), implying that reversible protein phosphorylation is not essential for PSII repair. Functional characterization of stn7 mutants showed that STN7 is not only associated with the short term response, but it is also required for the adaptation to long-term illumination changes including light-quality-induced changes in the mRNA expression of nuclear and plastid genes for photosynthetic proteins. This indicates that short-term and long-term photosynthetic adaptations are coupled and that phosphorylation of LHCII, or of an unknown substrate of STN7, is crucial for the control of photosynthetic gene expression and readjustment of photosystem stoichiometry.

Plastid chromosomes from the variety of plant species contain several conserved open reading frames of unknown function, which most probably represent functional genes. The primary aim of this thesis was the analysis of the role of two such ORFs, designated ycfs or hypothetical chloroplast reading frames, namely ycf9 (ORF62) and ycf10 (ORF229, cemA). Both were analyzed in Nicotiana tabacum (tobacco) via their inactivation using biolistic plastid transformation. A new experimental protocol, based on pulsed-field gel electrophoresis (PFGE), was established to reliably assess the homoplastomic state of transformed plants. 1. Functional analysis of the ycf9 gene product: The inactivation of ycf9 in N. tabacum as well as in Chlamydomonas reinhardtii yielded a homoplastomic mutant phenotype after several rounds of regeneration under selective pressure. The mutant plants grew photoautotrophically, but displayed two clear phenotypes, a light-sensitive one, increasing with the light intensity, and a dwarf phenotype under low-light combined with temperatures below 20°C. The ycf9 gene product was exclusively located in PSII core complexes. This localization was based on the isolation of protein complexes released from thylakoids by controlled, partial lysis, followed by sucrose density gradient centrifugation or 2D gel electrophoresis. This finding revised data of the literature. Biochemical analysis indicated an involvement of the protein in the interaction of the light harvesting antenna II complex (LHCII) with PSII cores. In particular, PSII-LHCII supercomplexes could no longer be isolated from transplastomic tobacco plants. Furthermore, the minor chlorophyll a/b-binding proteins CP26, and to a lesser extent CP29, were substantially reduced under most growth conditions analyzed, in both, tobacco and photoautotrophically grown Chlamydomonas mutants (Swiatek et al. 2001). The gene was therefore renamed psbZ. The ∆psbZ-related alterations in the supramolecular organization of PSII complexes were accompanied by considerable modification in (i) the phosphorylation pattern of PSII subunits, (ii) the rate of deepoxydation of xanthophylls, and (iii) the kinetics and amplitude of non-photochemical quenching. The proposed position of PsbZ in close proximity to CP43 enables the protein to interact with PSII cores to elicit an adaptation process in response to excess light excitation. The molecular mechanism underlying this energy dissipation process remains to be investigated. 2. Functional analysis of the ycf10 gene product: Biolistic plastid transformation was also used to inactivate the ycf10 reading frame in tobacco. After several rounds of regeneration under selective pressure, homoplastomic plants were obtained. Northern analysis uncovered co-transcription of ycf10 within the psaI-ycf4-ycf10-petA gene cluster, with at least two promotor regions upstream of the psaI gene. The mutant plants grew photoautotrophically and developed dark green leaves with numerous pale green to white regions, the latter devoid of photosynthetic activity. The loss of ycf10 did not affect photosynthetic activity, as indicated by unaltered chlorophyll fluorescence. The tobacco ycf10 gene product was localized in the chloroplast inner envelope membrane. Neither protein composition of stroma or thylakoid fractions, nor the stability of the photosynthetic protein complexes were affected in the mutant plants. In contrast, CO2- dependent oxygen evolution was strongly reduced, with a maximum rate of Ci-dependent photosynthesis being approximately 50% lower than in wild-type plants. Two explanations can account for the observed phenomenon: (i) de-regulation of carbonconcentrating mechanisms in transformed cells, or (ii) an indirect effect on CO2-uptake in ∆ycf10 plants. 3. Pulsed-field gel electrophoresis is an ideal tool to verify the homoplastomic state of transformed plants: To enhance the sensitivity of detection of heteroplastomic states, and to distinguish between plastome-located wild-type segments in transplastomic material and promiscuous DNA, a new approach was developed. Customary Southern and PCR techniques are not sensitive enough or not discriminating the latter alternatives, respectively. Pulsed-field gel electrophoresis allows to isolate virtually contamination-free plastid DNA. Plastid DNA isolated this way lacked traces of nuclear and mitochondrial DNA at a detection level of 50 DNA molecules. This excludes that gene-specific PCR amplification products originate from promiscuous nuclear or mitochondrial gene copies. Therefore, PFGE appears to be an ideal tool to investigate the homoplastomic state of transformed plants, especially when combined with radiolabeled probes and Southern techniques.

The reaction of several plant chlorophyll-protein complexes with NaBH4 has been studied by absorption spectroscopy. In all the complexes studied, chlorophyll b is more reactive than Chi a, due to preferential reaction of its formyl substituent at C-7. The complexes also show large variations in reactivity towards NaBH4 and the order of reactivity is: LHCI > PSII complex > LHCII > PSI > P700 (investigated as a component of PSI). Differential pools of the same type of chlorophyll have been observed in several complexes. Parallel work was undertaken on the reactivity of micellar complexes of chlorophyll a and of chlorophyll b with NaBH4 to study the effect of aggregation state on this reactivity. In these complexes, both chlorophyll a and b show large variations in reactivity in the order monomer > oligomer > polymer with chlorophyll b generally being more reactive than chlorophyll a. It is concluded that aggregation decreases the reactivity of chlorophylls towards NaBH4 in vitro, and may similarly decrease reactivity in naturally-occurring chlorophyll-protein complexes.