Analyse der molekularen Interaktionen des mitochondrialen Glutaredoxins S15 in Pflanzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mehrere zelluläre Prozesse in Pflanzen hängen von Eisen-Schwefel-Proteinen (Fe–S) ab, deren Cofaktoren durch spezielle Assemblierungssysteme im Zytosol, in den Plastiden und in den Mitochondrien zusammengesetzt werden. Fe–S-Proteine sind in den photosynthetischen und respiratorischen Elektronentransportketten (ETCs) vorhanden und werden für die Schwefel- und Stickstoffassimilation sowie für die Synthese anderer Cofaktoren wie Biotin und Liponsäure benötigt. Der Einbau von Fe–S-Clustern (ISCs) in Proteine erfordert zunächst die De-novo-Assemblierung von ISCs auf Gerüstproteinen und deren Übertragung auf Akzeptorproteine unter Mitwirkung mehrerer Reifungsfaktoren, darunter Klasse-II- Glutaredoxine. Glutaredoxin S15 (GRXS15) ist ein wesentlicher Akteur in der mitochondrialen ISC-Assemblierung, wo es (i) [2Fe–2S]-Cluster von der ersten Assemblierungsmaschinerie auf das zweite Assemblierungssystem überträgt, das für den Aufbau von [4Fe–4S]- Clustern verantwortlich ist, und (ii) möglicherweise auch [2Fe–2S]-Cluster direkt auf Apoproteine überträgt. Mängel beim GRXS15-vermittelten Clustertransfer verursachen fast ausschließlich Defekte bei der Proteinlipoylierung mit einer charakteristischen Metabolitensignatur. Diese selektive Manifestation von Defiziten beim Clustertransport erklärt sich wahrscheinlich aus der geringen Kopienzahl der Lipoylsynthase (LIP1) und der Tatsache, dass LIP1 nach jedem Katalysezyklus einen neuen [4Fe–4S]-Cluster benötigt. Die Kombination aus geringer Kopienzahl und hohem katalytischen Bedarf legt nahe, dass LIP1 bei unzureichender Clusterbereitstellung nicht in der Lage ist, um ausreichend Cluster zu konkurrieren. Dieser bei grxs15-Mutanten entdeckte Engpass kann überwunden werden, indem Aconitase 3 als eines der am häufigsten vorkommenden [4Fe–4S]-Proteine entfernt wird oder indem LIP1 überexprimiert wird, um es gegenüber anderen Apoproteinen wettbewerbsfähiger zu machen [4Fe–4S]. Überraschenderweise ist eine Überexpression von LIP1 in WT-Pflanzen oder schwachen grxs15-Mutanten jedoch schädlich. Es wird angenommen, dass die offensichtliche Toxizität von LIP1 auf die Freisetzung von Sulfid zurückzuführen ist, das die Cytochrom-c-Oxidase (COX) hemmt. Diese Vergiftung kann indirekt durch die Messung der O2-Atmung und durch eine erhöhte Expression der Alternativen Oxidase 1a nachgewiesen werden, die eine vollständige Blockierung der ETC verhindert. Eine Überexpression der O-Acetylserin(thiol)lyase C, die freies Sulfid für die Cysteinbiosynthese bindet, unterdrückt die Toxizität zumindest partiell. Diese Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit einer Sulfidfixierungskapazität in der mitochondrialen Matrix. Phänotypische Veränderung nach Sulfidfreisetzung durch LIP1 wird die Untersuchung von Defekten und gezielten Veränderungen im mitochondrialen ISC-Weg ermöglichen. Auf diese Weise können mutmaßliche Wechselwirkungen von GRXS15 in zukünftigen Arbeiten untersucht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Iron–sulfur proteins in plant mitochondria: roles and maturation. Journal of Experimental Botany, 72(6), 2014-2044.
Przybyla-Toscano, Jonathan; Christ, Loïck; Keech, Olivier & Rouhier, Nicolas
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Molecular basis for the distinct functions of redox-active and FeS-transfering glutaredoxins. Nature Communications, 11(1).
Trnka, Daniel; Engelke, Anna D.; Gellert, Manuela; Moseler, Anna; Hossain, Md Faruq; Lindenberg, Tobias T.; Pedroletti, Luca; Odermatt, Benjamin; de Souza João, V.; Bronowska, Agnieszka K.; Dick, Tobias P.; Mühlenhoff, Uli; Meyer, Andreas J.; Berndt, Carsten & Lillig, Christopher Horst
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The plastidial Arabidopsis thaliana NFU1 protein binds and delivers [4Fe-4S] clusters to specific client proteins. Journal of Biological Chemistry, 295(6), 1727-1742.
Roland, Mélanie; Przybyla-Toscano, Jonathan; Vignols, Florence; Berger, Nathalie; Azam, Tamanna; Christ, Loick; Santoni, Véronique; Wu, Hui-Chen; Dhalleine, Tiphaine; Johnson, Michael K.; Dubos, Christian; Couturier, Jérémy & Rouhier, Nicolas
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Glutaredoxins with iron-sulphur clusters in eukaryotes -Structure, function and impact on disease. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) -Bioenergetics, 1862(1), 148317.
Berndt, Carsten; Christ, Loïck; Rouhier, Nicolas & Mühlenhoff, Ulrich
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The function of glutaredoxin GRXS15 is required for lipoyl-dependent dehydrogenases in mitochondria. Plant Physiology, 186(3), 1507-1525.
Moseler, Anna; Kruse, Inga; Maclean, Andrew E.; Pedroletti, Luca; Franceschetti, Marina; Wagner, Stephan; Wehler, Regina; Fischer-Schrader, Katrin; Poschet, Gernot; Wirtz, Markus; Dörmann, Peter; Hildebrandt, Tatjana M.; Hell, Rüdiger; Schwarzländer, Markus; Balk, Janneke & Meyer, Andreas J.
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Relationships between the Reversible Oxidation of the Single Cysteine Residue and the Physiological Function of the Mitochondrial Glutaredoxin S15 from Arabidopsis thaliana. Antioxidants, 12(1), 102.
Christ, Loïck; Couturier, Jérémy & Rouhier, Nicolas
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Altered iron-sulfur cluster transfer in Arabidopsis mitochondria reveals lipoyl synthase as a Janus-faced enzyme that generates toxic sulfide. Cold Spring Harbor Laboratory.
Pedroletti, Luca; Moseler, Anna; Timm, Stefan; Poschet, Gernot; Homagk, Maria; The, Jeremy X. L.; Wagner, Stephan; Wirtz, Markus; Hell, Rüdiger & Meyer, Andreas J.
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Assembly, transfer, and fate of mitochondrial iron–sulfur clusters. Journal of Experimental Botany, 74(11), 3328-3344.
Pedroletti, Luca; Moseler, Anna & Meyer, Andreas J.
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Localization of four class I glutaredoxins in the cytosol and the secretory pathway and characterization of their biochemical diversification. Cold Spring Harbor Laboratory.
Schlößer, Michelle; Moseler, Anna; Bodnar, Yana; Homagk, Maria; Wagner, Stephan; Pedroletti, Luca; Gellert, Manuela; Ugalde, José M.; Lillig, Christopher H. & Meyer, Andreas J.
