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Dissertation

Autor(en): Janina Apitz
Titel: Charakterisierung von Arabidopsis HEMA-Mutanten und in vivo-Analyse funktioneller Domänen der pflanzlichen Glutamyl-tRNA-Reduktasen
Gutachter: Bernhard Grimm; Thomas Buckhout; Thomas Börner
Erscheinungsdatum: 09.06.2016
Volltext: pdf (urn:nbn:de:kobv:11-100238734)
Fachgebiet(e): Biowissenschaften, Biologie
Schlagwörter (ger): ALA-Synthese, GluTR, FLU-vermittelte feedback-Inhibierung, posttranslationale Regulation, plastidäre Clp Proteasen, N-end rule angelehnter Abbauweg
Schlagwörter (eng): ALA synthesis, GluTR, FLU-mediated feedback inhibition, posttranslational regulation, plastidic Clp proteases, N-end rule like pathway
Einrichtung: Humboldt-Universität zu Berlin, Lebenswissenschaftliche Fakultät
Lizenz: Namensnennung - Keine kommerzielle Nutzung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen (CC BY NC SA)
Zitationshinweis: Apitz, Janina: Charakterisierung von Arabidopsis HEMA-Mutanten und in vivo-Analyse funktioneller Domänen der pflanzlichen Glutamyl-tRNA-Reduktasen; Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, Lebenswissenschaftliche Fakultät , publiziert am 09.06.2016, urn:nbn:de:kobv:11-100238734
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Abstract (ger):
Die Tetrapyrrolbiosynthese (TBS) führt zu wichtigen Endprodukten wie Häm und Chlorophyll. Das gemeinsame Vorstufenmolekül aller Tetrapyrrole ist die 5-Aminolävulinsäure (ALA), die in Pflanzen über den C5-Weg aus Glutamat synthetisiert wird. Das erste spezifische Enzym der ALA-Synthese und somit auch der TBS ist die Glutamyl-tRNA Reduktase (GluTR). Sie unterliegt als Schlüsselenzym einer strengen Regulation. Aufgrund der unterschiedlichen Expression der HEMA-Gene in Arabidopsis wird ein differenzieller Beitrag der GluTR-Isoformen zu den Endprodukten der TBS vermutet. Analysen von knockout-Mutanten gaben Aufschluss darüber, inwiefern die Isoformen den Verlust des jeweils anderen kompensieren können. Die knockout-Mutante von HEMA1 zeigte einen blassgrünen Phänotyp, war nicht mehr in der Lage photoautotroph zu wachsen und demonstrierte eine essentielle Rolle der GluTR1 gegenüber GluTR2, wohingegen hema2-Mutanten einen wildtypartigen Phänotyp aufzeigten. Die Bedeutung der N-terminalen GluTR-Domäne in der posttranslationalen Regulation der ALA-Synthese wurde durch BiFC-Analysen und Komplementationsversuche aufgeklärt. BiFC-Analysen zeigten eine Interaktion der N-terminalen Domäne der GluTR1 mit Proteinen der Clp Proteasen und dem GluTR-Bindeprotein (GBP). Veränderte GluTR-Stabilitäten in gbp-Mutanten lassen eine schützende Funktion des GBP gegenüber dem Abbau des Proteins postulieren. Die Expression einer N-terminal verkürzten GluTR1 komplementierte hema1-Mutanten vollständig. Die in diesen Pflanzen und in clp-Mutanten beobachteten erhöhten GluTR1-Proteinstabilitäten im Dunkeln lassen einen Abbau der GluTR durch Clp Proteasen vermuten, bei dem der N-Terminus des Enzyms für die Substraterkennung notwendig zu sein scheint. Die Detektion von erhöhten Pchlid-Mengen als Folge der erhöhten Proteinstabilität in Linien, die die verkürzte GluTR1 exprimierten, demonstriert erstmals die Bedeutung einer kontrollierten Proteolyse der GluTR in der Regulation der ALA-Synthese.
Abstract (eng):
In plants 5-aminolevulinic acid (ALA) is the common precursor of all tetrapyrrols and formed from glutamate via the C5 pathway. Glutamyl-tRNA reductase (GluTR) is the initial enzyme of ALA synthesis and thus tetrapyrrole biosynthesis (TBS). The most important control point of the TBS is the synthesis of ALA and GluTR is the key enzyme, that is tightly regulated. Due to the different expression of HEMA genes in Arabidopsis, a differential contribution to endproducts of the TBS is proposed for GluTR isoforms. Analysis of knockout mutants gave some indications of how the isoforms can compensate each other. I introduced a new knockout mutant of HEMA1 that was pale-green and not able to grow photoautotrophically, indicating that the remaining GluTR2 does not sufficiently compensate ALA synthesis for the extensive needs of chlorophyll. In contrast, hema2 mutants were wild-type-like. The function of the N-terminal region of GluTR1 in posttranslational regulation has been analyzed by BiFC analysis and complementation experiments of hema1. BiFC analysis showed an interaction of the N-terminal region of GluTR1 with the GluTR binding protein (GBP) and with proteins of the Clp proteases. Mutants of GBP revealed a decreased GluTR1 stability during the dark period, indicating a protective role of GBP against proteolysis of GluTR1 in darkness. The expression of a GluTR1 lacking the N-terminal amino acid residues successfully complemented hema1. These plants as well as clp mutants revealed an increased GluTR1 stability in darkness, suggesting a degradation of the protein through Clp proteases. Thereby, the N-terminal region of GluTR1 seems to be necessary for the recognition by Clp proteins. The observed high amount of truncated GluTR1 in transformed hema1 mutants was caused by the increased GluTR1 stability and lead to an accumulation of Pchlide in prolonged dark periods, demonstrating the importance of a controlled proteolysis of GluTR in the regulation of ALA synthesis.
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