Metaboliten-sensierende Signal-Prozessoren in eukaryontischen photosynthetischen Mikroorganismen: Von molekularen Mechanismen zu zellulären Funktionen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die PII Signaltransduktionsproteine zählen zu den am weitesten verbreiteten Signalproteinen der Natur und kommen in Bakterien, Archaeen und Pflanzen vor. Sie spielen eine zentrale Rolle in der Erfassung des metabolischen Status, insbesondere des Kohenstoff-Stockstoff-Gleichgewichts. In einer bahnbrechenden Arbeit konnten wir in Zusammenarbeit mit Prof. Ermilova von der Universität St. Petersburg, Russland zeigen, dass die PII Proteine bei grünen Pflanzen als Sensor der Aminosäure Glutamin wirken. Daraus leiteten wir die Hypothese ab, dass PII Proteine in oxygen phototrophen Mikroorganismen (Algen) eine zentrale Rolle als Stoffwechsel-Regulatoren spielen. Die Arbeitsgruppe von Prof. Elena Ermilova untersuchte die physiologischen Auswirkungen der PII-vermittelten Signaltransduktion in Grünalgen mit Fokus auf mögliche biotechnologische Anwendungen. In unserer Arbeitsgruppe wurden die molekularbiologischen Studien zu den Mechanismen der PII Regulation durchgeführt. Im erste Projektteil ging es um ein Verständnis der Evolution von PII Funktionen im Lauf der endosymbiontischen Entstehung der Chloroplasten. Es wurden PII Proteine aus verschiedenen Mikroalgen-Gruppen biochemisch und strukturell untersucht. Die PII Proteine aus grünen und roten Algen sind zu den cyanobakteriellen Homologen strukturell hoch konserviert. Die Glutamin sensierende C-terminale Extension ist erst bei der Übertragung des glnB Gens aus dem Chloroplasten ins Kerngenom entstanden. Während des gesamten Verlaufs der Evolution fungiert das Schlüsselenzym der Argininbiosynthese, N-Acetyl-L-Glutamat Kinase (NAGK) als Hauptinteraktionspartner der PII-Proteine. Im Fall von Polytomella parva ist PII sogar zu einer permanenten Untereinheit des NAGK Komplexes geworden. Bei der Suche nach weiteren Interaktionspartnern in Grünalgen konnten keine eindeutig belegbaren Interaktionspartner gefunden werden. In einer weiteren Studie wurde daher mit Hilfe von fluoreszenten Reportern die Co-Lokalisation von PII mit diversen anderen Proteinen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana untersucht. Im Ergebnis konnte die starke Interaktion mit NAGK in Chloroplasten bestätigt werden. Darüber hinaus wurden aber zahlreiche schwächere Interaktionen mit diversen plastidären Enzymen detektiert, insbesondere mit mehreren Faktoren der plastidären Protein turnover Maschinerie. Diese Daten deuten stark darauf hin, dass in Arabidopsis PII in den plastidären Protein-Abbauwegen beteiligt ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2018) The PII signaling protein from red algae represents an evolutionary link between cyanobacterial and Chloroplastida PII proteins. Scientific Reports
Lapina T., Selim K.A., Forchhammer K., Ermilova E.
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(2019) Effects of arginine on Polytomella parva growth, PII protein levels and lipid body formation. Planta - 250, 1379–1385
Lapina T.V., Kochemasova L.Yu., Forchhammer K., Ermilova E.V.
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(2019) Interaction of N-acetyl-L- glutamate kinase with the PII signal transducer in the nonphotosynthetic alga Polytomella parva: co-evolution towards a hetero-oligomeric enzyme. FEBS Journal
Selim K., Lapina T., Forchhammer K., Ermilova E.
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(2020) From Cyanobacteria to Archaeplastida: New evolutionary insights into PII signalling in the plant kingdom. New Phytologist
Selim K., Ermilova E., Forchhammer K.
