Cryptochrom Photorezeptoren in der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii: Vielseitigkeit ihrer Funktionen und Mechanismen

• Antragstellerin: Professorin Dr. Maria Mittag
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 412896838

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Cryptochrome sind Lichtrezeptoren, die von Photolyasen abstammen. Photosynthetische Protisten, die man auch Mikroalgen nennt, haben eine Vielzahl von Cryptochromen mit unterschiedlichen Funktionen und Eigenschaften. So kodiert die begeißelte Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, ein Modellorganismus für Licht-gesteuerte Vorgänge, für vier verschiedene Cryptochrome (CRY): (i) ein pflanzliches CRY (pCRY), ein tierähnliches CRY (aCRY) und zwei sogenannte DASH (Drosophila, Arabidopsis, Synechocystis and Homo)-ähnliche Cryptochrome (CRY-DASH1 und CRY-DASH2). In der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum gibt es hingegen auch ein pflanzenähnliches CRY, CryP genannt. Die CRYs aus C. reinhardtii standen in diesem Projekt im Fokus. aCRY und pCRY spielen im sexuellen Zyklus sowie bei der inneren circadianen Uhr der Alge eine wichtige Rolle. Der Proteasomgesteuerte Abbau von aCRY in den Gameten wurde näher untersucht. aCRY ist nicht nur ein typischer UV-A-Blaulichtrezeptor, sondern kann u.a. auch im roten Bereich absorbieren. Hierbei ist ein langlebiges Tyrosylradikal und seine Mikroumgebung von Bedeutung. Auch die Rolle der langen C-terminalen Domäne von pCRY wurde charakterisiert. Ein besonderes Augenmerk lag jedoch auf CRY-DASH1, dessen biologische Funktion zu Beginn des Projekts zum großen Teil unbekannt war. CRY-DASH1 ist im Chloroplasten lokalisiert und liegt in höchster Menge zur Mitte des Tages vor. CRY-DASH1 absorbiert maximal im UV-A Bereich. Der Verlust von CRY-DASH1 führt zu vermindertem photoautotrophen Wachstum der entsprechenden Knockout-Mutante im Vergleich zum Wildtypstamm. Interessanterweise sind cry-dash1 Knockout-Kulturen mit gleicher Zellzahl wie der Wildtyp intensiver grün gefärbt. In der Tat sind in einer cry-dash1 Knockout-Mutante mehr photosynthetische Pigmente (Chlorophylle und Carotenoide) vorhanden als im Wildtyp. Dies geht Hand in Hand mit der Bildung vermehrter Granastapel der Thylakoidmembranen in der Mutante sowie der erhöhten Expression von zwei zentralen Proteinen des Photosystems II, D1 und CP43. CRY-DASH1, das am C-Terminus vier „RGG“ RNA-Bindemotive aufweist, kann an die psbA RNA binden, die für D1 kodiert. Eine translationale Regulation ist zu vermuten, da die psbA RNA in Wildtyp und Mutante im Gegensatz zum D1 Protein keinen Mengenunterschied aufweist. Eine vergleichende Proteomanalyse von Chloroplastenproteinen des Wildtyps und der cry-dash1 Mutante ergab weitere interessante Ergebnisse. So sind zum Beispiel mehrere Enzyme der Chlorophyllbiosynthese in der Mutante hochreguliert, während Enzyme des zentralen Kohlenstoffmetabolismus herunterreguliert sind. Letzteres trifft auch für die Enzyme der Histidin Biosynthese zu, was dazu führt, dass in der Mutante weniger Histidin vorhanden ist. Summa summarum spielt CRY-DASH1 in verschiedenen plastidären Stoffwechselwegen eine zentrale Rolle und ist an der Balance des Photosynthese Apparates beteiligt.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Time-Resolved Infrared and Visible Spectroscopy on Cryptochrome aCRY: Basis for Red Light Reception. Biophysical Journal, 117(3), 490-499.
  Oldemeyer, Sabine; Mittag, Maria & Kottke, Tilman
  
• C-Terminal Extension of a Plant Cryptochrome Dissociates from the β-Sheet of the Flavin-Binding Domain. The Journal of Physical Chemistry Letters, 12(23), 5558-5563.
  Goett-Zink, Lukas; Toschke, Anna Lena; Petersen, Jan; Mittag, Maria & Kottke, Tilman
  
• DASH cryptochrome 1, a UV‐A receptor, balances the photosynthetic machinery of Chlamydomonas reinhardtii. New Phytologist, 232(2), 610-624.
  Rredhi, Anxhela; Petersen, Jan; Schubert, Melvin; Li, Wei; Oldemeyer, Sabine; Li, Wenshuang; Westermann, Martin; Wagner, Volker; Kottke, Tilman & Mittag, Maria
  
• The World of Algae Reveals a Broad Variety of Cryptochrome Properties and Functions. Frontiers in Plant Science, 12.
  Petersen, Jan; Rredhi, Anxhela; Szyttenholm, Julie; Oldemeyer, Sabine; Kottke, Tilman & Mittag, Maria
  
• Evolution of circadian clocks along the green lineage. Plant Physiology, 190(2), 924-937.
  Petersen, Jan; Rredhi, Anxhela; Szyttenholm, Julie & Mittag, Maria
  
• The C-terminus of a diatom plant-like cryptochrome influences the FAD redox state and binding of interaction partners. Journal of Experimental Botany, 73(7), 1934-1948.
  Krischer, Julia; König, Sarah; Weisheit, Wolfram; Mittag, Maria & Büchel, Claudia
  
• The UV-A Receptor CRY-DASH1 Up-and Downregulates Proteins Involved in Different Plastidial Pathways. Journal of Molecular Biology, 436(5), 168271.
  Rredhi, Anxhela; Petersen, Jan; Wagner, Volker; Vuong, Trang; Li, Wenshuang; Li, Wei; Schrader, Laura & Mittag, Maria