Nitrogen-starvation induced chlorosis in cyanobacteria: A proteolytic program for maintenance of viability
Final Report Abstract
Cyanobakterien verfügen über ein reichhaltiges Repertoire an zellulären Proteasen. Proteolytische Aktivitäten spielen in vielen zellulären Prozessen eine entscheidende Rolle und sind besonders wichtig, wenn durch Stress verursachte zelluläre Schädigungen behoben oder vermieden werden sollen. Viele essentielle Proteasen, die in anderen Bakteriengruppen nur in singulärer Form vorhanden sind, existieren in Cyanobakterien in mehreren paralogen Varianten. In diesem Projekt wurden Paraloge von zwei wichtigen Protease-Klassen in Synechocystis PCC 6803 physiologisch untersucht: die für die Reifung von Proteinen essentiellen Methionin Aminopeptidasen sowie die für die Reparatur des Photosystem II (PSII) Reaktionszentrums zuständige Protease FtsH2. Das Cyanobakterium Synechocystis sp. PCC 6803 enthält drei Gene, die für verschiedene Methionin-Aminopeptidasen (MetAP's) kodieren, wobei deren physiologische Funktion zuvor unbekannt war. Das in allen Cyanobakterien konservierte map-3 Gen wird vor allem unter exponentiell wachsenden Bedingungen exprimiert, und sein Produkt dient vermutlich als houskeeping MetAP. Hingegen wird das map-1 Gen, und besonders stark das map-2 Gen, unter Hochlicht-Stress und Nährstoffmangel induziert. Die Inaktivierung des map-2 Gens (welches auch in allen filamentösen Cyanobakterien-Arten konserviert ist) bewirkt den Verlust der Fähigkeit, unter solchen Stressbedingungen zu überleben, während die Mutation des für Synechocystis einzigartigen map-1 Gens keinen Phänotyp hat. Das PSII der map-2 Mutante weist gegenüber dem Wildtyp einen geringeren Gehalt an intrinsischem Antennenprotein CP47 und eine veränderte Bindungsstelle des mobilen Chinons (Qb) auf. Insbesondere unter Stress-Bedingungen scheint die Assemblierung von PSII gestört zu sein. Dies ist die erste Studie die zeigt, dass Cyanobakterien mit multiplen MetAP's differentielle N-terminale Prozessierungsspezifitäten von Komponenten des PSII aufweisen. Die Proterase FtsH2 spielt eine Schlüsselrolle bei der Reparatur des PSII Reaktionszentrums nach Lichtschädigung. In dieser Studie konnten wir darüber hinaus zeigen, dass FtsH2 auch für die Ammoniak-Toleranz von Cyanobakterien verantwortlich ist. Eine FtsH2 defekte Mutante stirbt nach Zugabe von millimolaren Konzentrationen Ammoniak. Durch Ammoniak wird die Lichtschädigung des PSII Reaktionszentrums potenziert. Ammoniak verstärkt nur die durch Blaulicht/UV-A Licht verursachten Schäden, nicht jedoch Schäden, die durch Chlorophyll anregendes Licht ausgelöst werden. Das im Zusammenspiel mit Ammoniak wirksame Licht wird durch den Mn-Cluster des wasserspaltenden Komplexes absorbiert. Da dieser eine Bindestelle für Ammoniak aufweist, kann angenommen werden, dass die toxische Wirkung von Ammoniak dadurch zustande kommt, dass Ammoniak an den wasserspaltenden Komplex bindet, diesen photosensibilisiert und dadurch die Lichtschädigung des Photosystems II potenziert. Ammoniak kann solange toleriert werden, wie die PSII Reparaturmaschinerie, unter Beteiligung der FtsH2 Protease, mit den Schäden Schritt halten kann. Diese gänzlich neue Erklärung für die toxische Wirkung von Ammoniak ist möglicherweise von grundlegender Bedeutung für alle oxygen photosynthetischen Organismen.
Publications
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(2008). Ammonia triggers photodamage of photosystem II in the cyanobacterium Synechocystis sp. strain PCC 6803. Plant Physiology vol. 147. 2008, no. 1, pp. 206-215.
Miriam Drath, Nicole Kloft, Alfred Batschauer, Kay Marin und Karl Forchhammer
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2009. An alternative methionine aminopeptidase, MAP-A, is required for nitrogen starvation and high-light acclimation in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. Microbiology, Vol. 155.2009, pp. 1427-1439.
Miriam Drath, Kerstin Baier, Karl Forchhammer
