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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-79908
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/7990/


Meinecke, Linda

The signaling role of magnesium protoporphyrin IX and heme in Chlamydomonas reinhardtii

Die Signalfunktion von Magnesium Protoporphyrin IX und Häm in Chlamydomonas reinhardtii

Dokument1.pdf (21.866 KB) (md5sum: 7a4e42fb1a856b159e1dc5d0c863ed83)

Kurzfassung in Englisch

Chlamydomonas reinhardtii harbors, like all other eukaryotic algae and plants, three DNA-containing organelles. The nucleus exerts a tight control over gene expression in these organelles (Goldschmidt-Clermont, 1998; Leon et al., 1998; Hess and Börner, 1999), whereas plastids and mitochondria generate retrograde signals that in turn regulate the expression of nuclear genes. In C. reinhardtii a tetrapyrrole-derived signaling pathway was elaborated based on the observation that feeding of Mg-protoporphyrin IX (MgProto) and Mg-protoporphyrin IX monomethyl ester (MgProtoMe) in the dark induce the chaperone genes HSP70A and HSP70B. Those genes are also induced by shifting cell cultures from dark to light (Kropat et al., 1997). A transient light-induced increase in MgProto and/or MgProtoMe appears to be a prerequisite for the activation of these genes by light (Kropat et al., 2000). However, since an accumulation of these tetrapyrroles in dark-grown cells did not activate gene expression, it was postulated that light in addition is required to make the plastid-produced tetrapyrroles accessible to downstream signal transduction components in the cytosol and nucleus (Kropat et al., 2000; Beck, 2005; Meinecke et al., 2010).
From a collection of 40 Chlamydomonas reinhardtii mutants defective in chlorophyll biosynthesis, 12 chlH and 5 chlD mutants in the Mg-chelatase that catalyzes the insertion of magnesium into protoporphyrin IX were identified. The brown, light-sensitive mutants showed reduced levels of Mg-tetrapyrroles. Four Mg-chelatase mutants (chlH-1, chlH-2, chlD-1, chlD-2) were characterized further (von Gromoff et al., 2008). All four lack chlorophyll, show reduced levels of Mg-tetrapyrroles but increased levels of soluble heme. In the mutants, light induction of HSP70A was preserved, although MgProto has been implicated in this induction. Hemin feeding to cultures in the dark induced HSP70A. This induction was mediated by the same plastid response element (PRE) in the HSP70A promoter that has been shown to mediate induction by MgProto and light. Other nuclear genes that harbor a PRE in their promoters were also inducible by heme. A hallmark of this regulation is the transient activation of genes after treatment with MgProto, hemin, or light. One mechanism ensuring only transient gene activation appears to be based on the shut-down of the signaling pathway upon continuous stimulation by tetrapyrroles (von Gromoff et al., 2008).
Additionally, two yellow mutants (chlM-1, chlM-2) defective in CHLM encoding Mg-protoporphyrin IX methyltransferase (MgPMT) were identified (Meinecke et al., 2010). The mutants do not accumulate chlorophyll, are yellow in the dark and dim light, and their growth is inhibited at higher light intensities. They accumulate MgProto, the substrate of MgPMT, and this may be the cause for their light sensitivity. In the dark, both mutants showed a drastic reduction in the amounts of core proteins of photosystem I (PSI) and photosystem II (PSII) and light-harvesting chlorophyll a/b-binding proteins. The constitutively enhanced MgProto levels do not result in an increased induction of genes after a dark-to-light shift. The genes are already maximally induced by light, so enhanced tetrapyrrole pool levels have no additional effect on gene expression (Meinecke et al., 2010). In the other 34 mutants it was shown that continuous alterations of steady state levels of tetrapyrroles did not result in a deregulation of gene expression.
To explore the question how important the regulation of genes by MgProto and heme is, we measured the impact of MgProto and hemin feeding in the dark on changes in gene expression at the genomic level using custom-made microarray. About 8% of the 10.000 genes represented on the microarray showed a transient up- or down-regulation with a fold change equal to or above four. The two most prominent groups of regulated genes were those where both MgProto and hemin caused either up- or down-regulation. Another group consists of genes down-regulated by MgProto and a fourth group are genes up-regulated by hemin. 415 of the 799 responding genes were also regulated by heat shock and 91% of those in the same direction. These data suggest a role of MgProto and heme in the quantitative changes of the proteome. Most prominent among the functional groups of tetrapyrrole-regulated genes are those involved in protein folding and protein degradation. Striking is the virtual absence of regulated genes that encode constituents of the photosynthetic apparatus. This and the transient nature of changes in gene expression observed upon feeding of the tetrapyrroles suggest a signaling role of these plastid compounds in the adaptation of the alga to alterations in the environment.


Kurzfassung in Deutsch

Chlamydomonas reinhardtii besitzt, wie andere eukaryotische Algen und Pflanzen, drei DNA-haltige Organellen. Die Genexpression in Chloroplasten und Mitochondrien wird streng durch den Zellkern kontrolliert. Im Gegenzug regulieren die Plastiden und Mitochondrien mit Hilfe eines retrograden Signals die Expression von nuklearen Genen (Goldschmidt-Clermont, 1998; Leon et al., 1998; Hess and Börner, 1999). In C. reinhardtii wurde ein Tetrapyrrol abhängiger Signalweg gefunden. Die Zugabe von Magnesium-Protoporphyrin IX (MgProto) und Magnesium-Protoporphyrin IX monomethylester (MgProtoMe) zu Zellen im Dunkeln induziert die Expression der Chaperone Gene HSP70A und HSP70B. Diese Gene werden auch durch Belichtung von Kulturen, die zuvor im Dunkeln inkubiert wurden, induziert (Kropat et al., 1997). Eine transiente licht induzierte Akkumulation von MgProto und/oder MgProtoMe ist eine Voraussetzung für die Aktivierung dieser Gene durch Licht (Kropat et al., 2000). Im Dunkeln induziert die Akkumulation dieser Tetrapyrrole nicht die Genexpression. Daher wurde postuliert, dass zusätzlich Licht benötigt wird, um die im Chloroplasten hergestellten Tetrapyrrole den Komponenten der nachgeschalteten Signalwege im Zytosol und Zellkern zugänglich zu machen (Kropat et al., 2000; Beck, 2005; Meinecke et al., 2010).
Aus einer Sammlung von 40 Chlamydomonas reinhardtii Mutanten, die einen Defekt in der Chlorophyll-Biosynthese aufwiesen, wurden 17 Mg-Chelatase Mutanten (12 chlH und 5 chlD Mutanten) identifiziert. Die braunen, lichtempfindlichen Mutanten hatten einen reduzierten Mg-Tetrapyrrolgehalt. Vier der Mg-Chelatase Mutanten (chlH-1, chlH-2, chlD-1, chlD-2) wurden ausführlicher charakterisiert (von Gromoff et al., 2008). Diese vier Mg-Chelatase Mutanten hatten einen reduzierten Chlorophyllgehalt, einen reduzierten Mg-Tetrapyrrolgehalt und einen erhöhten Gehalt an löslichem Häm. HSP70A war in diesen Mutanten licht-induzierbar, obwohl zuvor postuliert wurde, dass MgProto in diese Lichtinduktion involviert ist. Im Dunkeln induzierte die Zugabe von Hemin zu den Kulturen HSP70A. Diese Induktion wurde durch dasselbe „plastid response element (PRE)“ in dem Promotor von HSP70A vermittelt, das auch für die Induktion von HSP70A durch MgProto und Licht verantwortlich ist. Ein Merkmal dieser Regulation ist die transiente Aktivierung der Gene nach der Inkubation mit MgProto, Hemin oder Licht. Ein Mechanismus, der nur eine transiente Genaktivierung gewährleistet, basiert vermutlich auf der Abschaltung des kompletten Signalweges bei kontinuierlicher Stimulierung mit Tetrapyrrolen (von Gromoff et al., 2008).Zusätzlich wurden zwei gelbe Mutanten (chlM-1, chlM-2) mit einer Mutation in CHLM identifiziert (Meinecke et al., 2010). CHLM kodiert das Enzym Mg-Protoporphyrin IX Methyltransferase (MgPMT). Diese Mutanten akkumulieren kein Chlorophyll, sind im Dunkeln und in gedämpftem Licht gelb und können bei höheren Lichtintensitäten nicht wachsen. Die Lichtempfindlichkeit beruht vermutlich auf der Akkumulation von MgProto, dem Substrat der MgPMT. In diesen Mutanten ist die Menge an Core-Proteinen des Photosystems I (PSI) und des Photosystems II (PSII) und den Chlorophyll a/b-bindenden Proteinen des Lichtsammelkomplexes im Dunkeln drastisch reduziert. Der konstitutiv erhöhte MgProto Gehalt führt nicht zu einer erhöhten Induktion der Gene nach Belichtung. Da die Gene bereits durch Licht maximal induziert werden, hat ein erhöhter Tetrapyrrol Gehalt keine zusätzlichen Auswirkungen auf die Genexpression (Meinecke et al., 2010).
Wie wichtig ist die Regulation der Gene durch MgProto und Häm? Für die Beantwortung dieser Frage untersuchten wir den Effekt, den die Zugabe von MgProto und Hemin zu Kulturen im Dunkeln, auf die Veränderung der Genexpression hat. Hierfür wurden spezialangefertigte Microarrays verwendet. Ungefähr 8% der 10.000 auf dem Microarray respräsentierten Gene zeigten eine transiente Hoch- oder Runter-regulation mit einer mindestens vierfachen Veränderung (p ≤0.05). Die zwei größten Gruppen von regulierten Genen wurden sowohl durch MgProto als auch durch Hemin entweder runter- oder hoch-reguliert. Eine dritte Gruppe bestand aus Genen, die ausschließlich durch MgProto runter-reguliert wurden und eine vierte Gruppe beinhaltete Gene, die nur durch Hemin hoch-reguliert wurden. 415 der 799 durch Tetrapyrrole regulierten Gene wurden auch durch Hitzeschock reguliert, wobei 91% dieser Gene in die gleiche Richtung reguliert wurden. Aufgrund dieser Daten ist es denkbar, dass MgProto und Häm eine Rolle bei quantitativen Veränderungen des Proteoms spielen. Unter den funktionellen Gruppen von Tetrapyrrol-regulierten Genen sind diejenigen Gene vorherrschend, die eine Rolle bei der Faltung und dem Abbau von Proteinen spielen. Gene, die Bestandteile des photosynthetischen Apparates kodieren fehlen fast komplett. Verschiedene Hinweise deuten auf eine Signalwirkung von MgProto und Häm bei der Anpassung der Alge an Umweltveränderungen hin.


SWD-Schlagwörter: Chlamydomonas reinhardtii , Magnesium Protoporphyin IX , Häm , Chloroplast
Freie Schlagwörter (deutsch): Chlamydomonas reinhardtii , Magnesium Protoporphyrin IX , Häm , Chloroplast
Freie Schlagwörter (englisch): Chlamydomonas reinhardtii , Magnesium protoporphyrin IX , heme , chloroplast , retrograde signaling
Institut: Institut für Biologie 3
Fakultät: Fakultät für Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Beck, Christoph F. (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 10.11.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 22.03.2011
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