Frühe Schritte in der Evolution eines Organells – Wie einzellige Wirtszellen ihre bakteriellen Endosymbionten zähmen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Eva C.M. Nowack
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242685455

Der Erwerb von Mitochondrien und Plastiden durch Endosymbiose vor mehr als 1 Mrd. Jahre hatte tiefgreifenden Einfluss auf die Entstehung und Diversifizierung der Eukaryoten. Um molekulare Mechanismen zu entschlüsseln, die zur Transformation eines bakteriellen Endosymbionten in ein genetisch integriertes Zellorganell führen, werden in diesem Projekt evolutionäre Frühstadien von Organellen untersucht: die photosynthetischen, cyanobakteriellen Endosymbionten (Chromatophoren) der Amöbe Paulinella chromatophora und die beta-proteobakteriellen Endosymbionten des Trypanosomatiden Angomonas deanei.In den ersten fünf Jahren der Förderung haben wir folgende Erkenntnisse gewonnen. (i) Kern- und Chromatophoren-codierte Gene in P. chromatophora sind hochkomplementär. (ii) Viele nukleäre Gene, die Genverluste im Chromatophor kompensieren, sind bakteriellen Ursprungs und wurden durch horizontale Gentransfers erworben. (iii) Die genetische Kontrolle über das Chromatophor geht schon erstaunlich stark vom Zellkern aus, dadurch dass etwa ein Drittel des Chromatophorenproteoms aus Kern-codierten Proteinen besteht. (iv) Dabei scheint eine ~200 Aminosäure-lange Präsequenz Kern-kodierte Proteine für den Import ins Chromatophor zu markieren, nur für kurze importierte Proteine (<90 Aminosäuren) bleibt das targeting-Signal unbekannt. (v) In A. deanei wurden lediglich 8 Kern-codierte Proteine im Endosymbionten identifiziert, was darauf hindeutet, dass sich A. deanei in einem früheren Integrationsstadium als P. chromatophora befindet. Diese sog. endosymbiont-targeted proteins (ETPs) in A. deanei spielen höchstwahrscheinlich eine Schlüsselrolle in der Ausbildung von Wirtskontrolle über den Endosymbionten. (vi) Durch die Entwicklung genetischer Werkzeuge haben wir A. deanei als effizientes, genetisch modifizierbares Endosymbiosemodell etabliert, in dem gezielt Gendeletionen erzeugt und Transgene vom Kerngenom exprimiert werden können. Dadurch konnten unterschiedliche subzelluläre Lokalisationen der ETPs über Hüllmembranen, Teilungsäquator oder Cytoplasma des Endosymbionten identifiziert werden. Das wiederholte Misslingen homozygote Nullmutanten für verschiedene ETPs zu generieren, legt eine essentielle Funktion dieser Proteine nahe.Dieser Antrag für eine einjährige Verlängerung des Projekts zielt darauf ab, die Evolution, targeting-Mechanismen und zellulären Funktionen der ETPs in A. deanei zu erforschen. Dazu möchten wir (i) ein konditionelles Gendeletionssystem für A. deanei etablieren; (ii) dieses System für die funktionelle Charakterisierung der ETPs nutzen; und (iii) die Evolution molekularer Signale erforschen, die das targeting Kern-kodierter Proteinen in den Endosymbionten in A. deanei ermöglichen.Diese Arbeit ist kritisch um zu verstehen, welche Mechanismen einer eukaryotischen Wirtszelle Kontrolle über ein endosymbiontisches Bakterium geben und im Laufe der Evolution zur Verschmelzung der Symbiosepartner zu einem einzigen hocheffizienten Organismus führen können.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen