Molekulare Mechanismen der in vivo Regulation der Channelrhodopsine in Chlamydomonas reinhardtii
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurden die molekularen Mechanismen untersucht, mit denen die Grünalge Chlamydomonas reinhardtii den Gehalt der beiden Channelrhodopsine ChR1 und ChR2 kontrolliert und deren Aktivität in das Netzwerk ihrer photoprotektiven Mechanismen integriert. Der Fokus lag dabei auf Untersuchungen zur Homöostase des dominanten ChR1. Die wichtigsten Ergebnisse der Studie sind: Der ChR1 Gehalt nimmt bei Belichtung intensitäts- und wellenlängenabhängig schnell ab, während der Photorezeptor im Dunkeln stabil ist. UV- und Blaulicht sind dabei wesentlich effektiver als Rot-Licht. - Analysen des ChR-Abbaus in Knock-Out-Stämmen von sechs im UV/Blau-Bereich absorbierenden Haupt-Photorezeptoren von Chlamydomonas wiesen lediglich für Phototropin (PHOT) eine signifikante Beteiligung am Abbau des ChR1 nach. Rot-Licht scheint dagegen indirekt über die Beeinflussung des zellulären Redoxpotentials den ChR1-Abbau zu induzieren. - Licht stimuliert die Endocytose des ChR1. Vor und/oder während der Internalisierung wird das ChR1 modifiziert und bildet hochmolekulare Komplexe (HMMCs). Diese ChR1-Formen sind die einzigen in extrazellulären Vesikeln (EVs) nachweisbaren Formen des ChR1. Ihr Gehalt in den EVs verändert sich dynamisch infolge von Belichtung. Die EVs haben die typische Größe von Exosomen und werden über die Plasmamembran und/oder die Basis der Zilien, jedoch nicht über die gesamte Länge der Zilien, sekretiert. - Neben PHOT sind eine COP1-SPA1 E3 Ubiquitin-Ligase, der Transkriptionsfaktor Hy5 sowie Änderungen im cAMP-Spiegel an der Kontrolle des ChR1-Gehalts beteiligt. - Mit der Cysteinprotease CEP1 wurde die erste für den ChR1-Abbau essentielle Protease identifiziert. Ihre Expression wird durch niedrige Lichtintensitäten stimuliert und durch PHOT, eine COP1-SPA1 E3 Ubiquitin-Ligase sowie lichtunabhängig durch cAMP reguliert. Ferner könnte ein Mitglied der Calpain-Proteasefamilie an der ChR1-Internalisierung beteiligt sein. - Der Abbau des ChR2 scheint überraschenderweise anders als der des ChR1 reguliert zu werden, da dieser sowohl in den ∆PHOT- als auch den ∆CEP1-Stämmen normal verläuft. - Folgende weitere für die Regulation der ChR1-Menge und dessen Targeting wichtige Komponenten/Prozesse wurden identifiziert: die kleine GTPase ARL11, die SUMOylierung von Proteinen, der intraflagellare Transport sowie die Präsenz von Zilien. Somit konnten erstmals gemeinsame Komponenten zwischen der Regulation des ChR1- Gehalts und den allgemeinen photoprotektiven Mechanismen dieser Alge nachgewiesen werden. Ferner wurde dessen Abbauweg charakterisiert und erste daran sowie am ChR1- Targeting beteiligte Elemente identifiziert. Im Rahmen des Projekts wurde somit die Grundlage für ein besseres molekulares Verständnis gelegt, wie es dieser Alge gelingt, sich bereits auf der Ebene dieses Photorezeptors dynamisch an die sich schnell ändernden Lichtbedingungen in ihrem Lebensraum anzupassen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Multifactorial in vivo regulation of the photoreceptor channelrhodopsin‐1 abundance. Plant, Cell & Environment, 46(9), 2778-2793.
Wolfram, Michaela; Greif, Arne; Sizova, Irina; Baidukova, Olga; Hegemann, Peter & Kreimer, Georg
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Insights into degradation and targeting of the photoreceptor channelrhodopsin-1.
Kreimer, Georg; Wolfram, Michaela; Greif, Arne; Baidukova, Olga; Voll, Hildegard; Tauber, Sandra; Lindacher, Jana & Hegemann, Peter
