Conservative Sorting in Cyanelles

Forschungsprojekt P 14573Conservative Sorting in CyanellesWolfgang LÖFFELHARDT26.06.2000 Die Cyanellen von Cyanophoraparadow und anderen Glaucocystophyceen haben als einzige, Plastiden die Peptidoglykanwand des cyanobakteriellen Vorläufers beibehalten. Weitere Parallelen zwischen Cyanobakterien und Cyanellen, die von den Chloroplasten höherer Pflanzen nicht geteilt werden, sind das Vorliegen eines periplasmatischen Raumes und die Phycobilisomen-bestetzten Thylakoide, die nach Isolierung keine dichten Vesikel bilden können. Im Verlauf der Evolution von einem endosymbiontischen Prokaryonten zur semiautonomen Organelle ging der Gentransfer zum Kern parallel mit der Entwicklung eines Proteinimportapparates im Cyanellenenvelope, der gegebenenfalls mit den bereits existenten prokaryontischen Proteintranslokasen im Sinne des "Conservative Sorting" kooperierte. Seit kurzem ist es klar, daß alle bekannten Thylakoidtransfer- und Integrationsmechanismen bereits Errungenschaften der Prokaryonten waren. Das gut etablierte in vitro Importsystern der Cyanellen umgeht die Probleme beim Import in cyanobakterielle Thylakoide. So können die Energieerfordernisse für die Translokation von lumenalen Proteinen, die bei Pflanzen nicht auftreten, untersucht werden. Die posttranslationale Thylakoidintegration von AtpI findet nur in Cyanellen statt, weil dieses polytope Membranprotein in allen anderen Fallen plastidenkodiert ist. Wir wollen feststellen, ob hier ein aus 54kDa und 43kDa Proteinen zusammengesetztes "Signal Recognition Particle" (SRP) involviert ist. Der bisher einzig bekannte "Passagier" des SRP54/43-Weges ist das Chlorophyll a/b bindende Protein der Chloroplasten, das gewisse Strukturmerkmale mit AtpI gemeinsam hat. Multiple und überlappende Transportwege scheinen gleichfalls möglich: dem, soll für das Rieske Fe-S Protein im Hinblick auf SRP- und ApH-Weg nachgegangen werden. Wir wollen unsere Hypothese testen, daB die unterschiedliche Zusammensetzung des wasserspaltenden Komplexes in Cyanobakterien (und primitiven Plastiden) verglichen mit Chloroplasten von einer Redundanz der Untereinheiten im cyanobakteriellen Vorläufer herrührt. Wir wollen zeigen, daß mit dem Austausch gewisser lumenaler Proteine auch ein geänderter Tansportmechanismus verbunden ist. Wir versuchen, das Vorliegen der SecA/E/Y-Translokase und der Tat-Translokase sowohl in der Thylakoid- als auch in der inneren Envelope-Membran der Cyanelle nachzuweisen, in Analogie zu Cyanobakterien und - wie wir glauben - im. Gegensatz zu Chloroplasten, wo diese prokaryontischen Apparate, - auf die Thylakoidmembran beschränkt sein dürften.

Die Alge Cyanophora paradoxa stellt ein "missing link" in der Evolution der Plastiden dar. Plastiden sind der Oberbegriff für die photosynthetisierenden Organellen und umfassen die Chloroplasten der höheren Pflanzen und Grünalgen, die Cyanellen der Glaucocystophyten, die Rhodoplasten der Rotalgen (diese drei werden als primäre Plastiden bezeichnet und sind von zwei Membranen umgeben) und eine Anzahl von sekundären Plastiden, die von drei bzw. vier Membranen umgeben sind und durchaus verschiedenartige Morphologie und Pigmentierung zeigen. Die primären Plastiden werden als Resultat eines (singulären?) primären endosymbiontischen Ereignisses (Cyanobakterium heterotropher Eukaryont) angenommen, bei den sekundären Plastiden waren eukaryontische Algen die Symbionten. Die Cyanellen sind die primitivsten primären Plastiden, da sie nicht nur das Phycobilisomen-Antennensystem der Cyanobakterien beibehalten haben (wie die Rhodoplasten) sondern auch - einzigartig bei eukaryontischen Organellen - eine Peptidoglycan-Wand zwischen der inneren und der äusseren Hüllmembran. In diesem Projekt sollte der Proteintransport innerhalb der Cyanellen mit dem von Cyanobakterien und von höherentwickelten Chloroplasten verglichen werden ("Conservative Sorting"). Zusätzlich sollte die Verwandtschaft der Proteinimportapparate der primären Plastiden aufgeklärt werden. Ein singuläres primäres endosymbiontisches Ereignis erfordert das Vorliegen von im wesentlichen analogen Proteinimportmechanismen für Cyanellen, Rhodoplasten und Chloroplasten. Conservative Sorting: Wir konnten funktionelle Sec- und Tat-Translokasen für bestimmte Proteine des Thylakoidlumens bzw. der Thylakoidmembran zeigen, wie sie auch für Chloroplasten und Prokaryonten berichtet wurden. Unsere Resultate machen eine Rolle der Sec-Translokase sowohl in der Thylakoidmembran als auch in der inneren Hüllmembran der Cyanellen sehr wahrscheinlich. Wir haben auch Kandidaten für die beiden zusätzlichen Wege in Chloroplasten ("Signal Recognition Particle"-abhängig bzw. "spontan") gefunden. Im Cyanellen-System konnte erstmals Protease-Protektion für in Vesikel aus Phycobilisomen-tragenden Thylakoidmembranen internalisierte Proteine gezeigt werden. Weiters konnte die in vitro Assemblierung von Phycobilisomen via Einbau eines markierten Linkerpolypeptids in diese supramolekularen Strukturen demonstriert werden. Der Proteinimportapparat der Cyanellen kann nach unseren Befunden als Prototyp angesehen werden, der im Verlauf der Evolution etwas modifiziert wurde: der Cyanellen-Importrezeptor scheint spezifisch für Phenylalanin am N-Terminus der Transitsequenz zu sein, was für die (redundanten) Rezeptoren der Chloroplasten nicht zutrifft. Tatsächlich sollten ja die Cyanellen dem gemeinsamen Vorläufer aller Plastiden am ähnlichsten sein. Unsere Daten unterstützen die Annahme, dass das Pflanzenreich aus einem singulären primären endosymbiontischen Ereignis hervorgegangen ist.