Ursprung, Phylogenie und Struktur der lichtabhängigen Protochlorophyllid-Reduktion

Die Synthese von Chlorophyllid (Childe) stellt eine der Schlüsselschritte bei der komplexen Biosynthese von (Bakterio)chlorophyll dar. In oxygen phototrophen Organismen wie Pflanzen, Algen und Cyanobakterien wird dieser Syntheseschritt durch Licht-abhängige Protochlorophyllid (Pchlide)-oxidireduktasen (LPORs) katalysiert. Aus evolutiver Sicht wird aktuell postuliert, dass LPORs zunächst von Cyanobakterien erfunden und anschließend über den Prozess der Endosymbiose in Pflanzen und Algen etabliert wurden. Durch die erstmalige Identifizierung einer funktionellen, Licht-abhängigen LPOR in dem aerob anoxygenphototrophen alpha-ProteobakteriumDinoroseobactershibaeDFL12T (unveröffentlichte Daten aus eigenen Vorarbeiten) wurde diese Lehrmeinung jedoch aktuell in Frage gestellt. Dieser Befund wirft nunmehr neue und weitreichende Fragen bezüglich der Entstehung und Evolution der Chlorophyllbiosynthese und Photosynthese auf und lässt vermuten, dass weiter funktionell neuartige LPORs in unkultivierbaren Mikroorganismen oder ungewöhnlichen Habitaten vorkommen. Daher sollen im Rahmen des beantragten Projekts die diesbezüglich bislang uncharakterisierten DNA-Sequenzen aus Metagenomen analysiert werden, wodurch grundsätzlich neue Erkenntnisse über den evolutionären Ursprung, die Phylogenie sowie die Struktur-Funktionsbeziehungen von Licht-abhängigen Pchlide- Oxidireduktasen erlangt werden können. Um dieses Ziel erreichen zu können, ist eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Mikrobiologen, Molekularbiologen, Biochemikern, Bioinformatikern und Strukturbiologen essentiell. Zum einen werden eingehende in vivo und in vitro Studien zur Funktion und Struktur bekannter und neuer LPORs (Arbeitsgruppen von U. Krauss und T. Drepper) ein besseres Verständnis zur funktionellen Adaptation sowie zum Reaktionsmechanismus der durch LPORs katalysierten, Licht-vermittelten Pchilde-Reduktion ermöglichen. Zum anderen werden die in der von A. von Haeseler geleiteten Gruppe durchgeführten umfassenden bioinformatischen Analysen der LPOR-Sequenzen neue Erkenntnisse zur Entstehung und Entwicklung dieser Schlüsselenzyme liefern. dimension and enriched scope.

Lichtabhängige Protochlorophyllid-Oxidoreduktasen (LPORs) sind Schlüsselenzyme für die Synthese von (Bakterio)chlorophyll, dem Hauptpigment, das sowohl für die anoxygene als auch für die sauerstoffhaltige Photosynthese benötigt wird. Ihre Entwicklungsgeschichte ist daher eng mit der Evolution der Photosynthese verbunden. Gegenwärtig wird angenommen, dass sich LPORs aus kurzkettigen Dehydrogenasen entwickelt haben, die als erste unter den Cyanobakterien infolge des Anstiegs des Sauerstoffgehalts in der Uratmosphäre entstanden sind. Während wir vor einiger Zeit das Vorkommen einer funktionellen LPOR in dem aeroben anoxygenen phototrophen Bakterium (AAPB) Dinoroseobacter shibae gezeigt haben und dessen Anwesenheit auf ein isoliertes horizontales Gentransferereignis (HGT) aus Cyanobakterien zurückführen, belegen wir nun die weit verbreitete Präsenz von echtem LPORs in AAPB-a-, ß-Proteobakterien und Gemmatimonadetes. Überraschender weise stellten wir anhand eines phylogenetischen Baum der LPOR-Sequenzen fest, dass alle Proteobakterien und Gemmatimonadetes-Arten als monophyletische Gruppe (Klade) innerhalb der Cyanobakterien platziert sind. Wir haben mehrere evolutionäre Szenarien entwickelt, um die beobachtete Baumtopologie erklären zu können. Eine monophyletische AAPB-LPOR-Gruppe innerhalb der Cyanobakterien könnte auf ein altes HGT-Ereignis als mögliche Ursache für das Vorhandensein von LPORs unter den AAPBs hindeuten. Die erwartete Platzierung der Klade näher an der Wurzel wird jedoch nicht beobachtet, daher muß man eine massive Deletion von LPOR Sequenzen in der AAPB-Gruppe annehmen, um das Fehlen von LPOR in anderen AAPBs zu erklären. Diese Annahme ist aber biologisch nicht zu rechtfertigen. Wichtiger noch: Wie in den Laborexperimenten bestätigt, besitzt einige Vertreter der neu identifizierter LPORs im Vergleich zu Cyanobakterien und Pflanzen-LPORs recht unterschiedliche biochemische Eigenschaften. Damit ist auch die alternative Hypothese, dass LPOR aus AAPBs stammen und dann auf Cyanobakterien übertragen wurden, fraglich. Deutliche biochemische Eigenschaften und Unsicherheiten in der Position der Klade im phylogenetischen Baum führen zu einer weiteren Hypothese. Konvergente Evolution könnte für das Auftreten von zwei biochemisch unterschiedlichen LPOR-Gruppen verantwortlich sein. Das Enzym könnte von Cyanobakterien und AAPBs infolge der Anpassung an sich ändernde Umgebungsbedingungen unabhängig evolviert sein. Obwohl diese Hypothese ansprechend ist, gibt es keine Methoden, die sie testen könnten. Wir haben auch eine umfangreiche Analyse der genomischen Inseln (GI) durchgeführt, den Clustern aufeinanderfolgender Gene, die wahrscheinlich über HGT erhalten werden. Die Analyse der GIs bot auch keine unmittelbare Unterstützung für die HGT-Hypothese. Entdeckung neuer Proteobakterien LPORs haben das Potenzial, die vorhandenen Bäume zu verbessern, und sie würden wahrscheinlich mehr Informationen über ihren Ursprung liefern, was zu einem besseren Verständnis der Evolution der Photosynthese im Allgemeinen beitragen würde. Darüber hinaus ist die Entwicklung von Strategien zur Unterscheidung von HGT und konvergenter Evolution erforderlich, um die Frage vollständig zu lösen.