Safety first: das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) und die Photosynthese

394 W I S S EN S CH AFT · S PECIA L : M OLE KULARE ZE LLBI OLOGI E Chloroplastenbiogenese Safety first: das Ubiquitin-ProteasomSystem (UPS) und die Photosynthese JULIA GRIMMER 1, SACHA BAGINSKY 2 1 INSTITUT FÜR BIOCHEMIE & BIOTECHNOLOGIE, UNIVERSITÄT HALLE-WITTENBERG 2 BIOCHEMIE DER PFLANZEN, FAKULTÄT FÜR BIOLOGIE UND BIOTECHNOLOGIE, RUHRUNIVERSITÄT BOCHUM The proteasome is essential for the control of protein turnover in the nucleus and the cytosol of eukaryotic cells. Chloroplasts and mitochondria import thousands of nuclear-encoded proteins as precursor proteins from the cytosol. We show that mild genetic proteasome impairment interferes with a cytosolic equilibrium between precursor protein import and degradation resulting in elevated precursor protein abundance in the cytosol and improved photosynthetic performance. DOI: 10.1007/s12268-021-1597-1 © Die Autoren 2021 A B ó Mit der Umwandlung von Lichtenergie in chemisch nutzbare Energie ist die Photosynthese einer der bedeutendsten biochemischen Prozesse der Erde. Die Reaktionen der Photosynthese sind in spezialisierten Zellorganellen, den Chloroplasten, lokalisiert. Chloroplasten entstanden vor etwa zwei Milliarden Jahren durch die Aufnahme eines Vorfahren der heutigen Cyanobakterien in eine eukaryotische Wirtszelle im Rahmen der Endosymbiose. Zur Etablierung des Endosymbionten als Zellorganell ist ein Großteil der ursprünglich im Bakterium enthaltenen Erbinformation in den Kern des eukaryotischen Wirts übergegangen [1]. Basierend auf Genomvorhersagen sind in höheren Pflanzen C D ˚ Abb. 1: Charakterisierung der Pflanzenlinien von Arabidopsis thaliana [8]. A, Erscheinungsbild von Wildtyp (WT), rpn8a, pad1, ppi2, rpn8appi2 und pad1ppi2. B, Adulte WT- und rpn8a-Pflanzen (35 d). C, Durchschnittliches Frischgewicht von rpn8a- und Wildtyp-Pflanzen. D, Gehalte der photosynthetischen Pigmente Chlorophyll a (Chl a), Chlorophyll b (Chl b) und Carotinoide (Carot) in den angegebenen Genotypen. Dargestellt sind die Mittelwerte mit Standardabweichungen; signifikante Unterschiede sind mit einem (p-Wert < 0.05) oder zwei Sternen (p-Wert < 0.005) nach zweiseitigem, ungepaarten T-Test gekennzeichnet. Abbildung modifiziert nach [8]. BIOspektrum | 04.21 | 27. Jahrgang 395 ˚ Abb. 2: Transmissionselektronenmikroskopie(TEM)-Aufnahmen von Plastiden der angegebenen Genotypen von Arabidopsis thaliana [8]. Plastiden der Doppelmutanten, insbesondere von rpn8appi2, weisen deutlich differenziertere Membranstrukturen als Plastiden von ppi2 auf. Dies zeigt sich in der erhöhten Anzahl an Granathylakoiden im Vergleich zu ppi2 [8]. Dargestellt ist ein Box-Plot zur Anzahl der Thylakoidstapel in den angezeigten Genotypen (n = 153 Plastiden, 459 Thylakoidstapel). Die schwarze Linie kennzeichnet den Median, i. e. ppi2 = 1, rpn8a ppi2 = 2, und pad1 ppi2 = 2. Abbildung modifiziert nach [8]. etwa 2.500–3.000 plastidäre Proteine kerncodiert; diese werden im Cytosol translatiert und posttranslational in die Plastiden importiert [2]. Kerncodierte plastidäre Proteine werden als Vorläuferproteine im Cytosol translatiert. Die meisten davon tragen eine N-terminale Erkennungssequenz, das Transitpeptid, das den Import über die Translokationskomplexe der äußeren (TOC) und inneren (TIC) Chloroplastenhüllmembran ins Stroma vermittelt [2]. Der Import von Vorläuferproteinen in Plastiden ist essenziell für die Chloroplastenbiogenese. Ein Defekt im plastidären Proteinimport, wie z. B. in der plastid protein import 2(ppi2)-Mutante, resultiert in einem albinotischen Phänotyp, in dem die Chloroplastenbiogenese gestört ist und die Plastiden in einem proplastidenähnlichen Stadium verbleiben [3, 4]. Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) und die Chloroplastenbiogenese Für die gezielte Degradation von Proteinen im Cytosol und im Zellkern werden diese BIOspektrum | 04.21 | 27. Jahrgang durch kovalente Bindung von Ubiquitin markiert und von einem multikatalytischen Enzymkomplex, dem 26S-Proteasom, degradiert. Dieses Degradationssystem wird auch als Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) bezeichnet. Der 26S-Proteasomkomplex besteht aus zwei kleineren Proteinkom- plexen, einer 700-kDa-Einheit, die nach ihrem Sedimentationskoeffizient 20S-Proteasom oder 20S catalytic particle (CP) be nannt ist und einer ebenfalls etwa 700-kDa-Einheit eines ATPase regulatorischen Komplexes (PA700), auch 19S regulatory particle (RP) genannt, der an einem oder 396 W I S S EN S CH AFT · S PECIA L : M OLE KULARE ZE LLBI OLOGI E ˚ Abb. 3: Die Interaktionen plastidärer Vorläuferproteine im Cytosol. Veränderungen im Gleichgewicht zwischen den konkurrierenden Prozessen Vorläuferimport und -degradation können durch posttranslationale Modifikationen sowie Änderungen der Proteasomaktivität eingeleitet werden. Akkumulierende Vorläufer können Einfluss auf die Signalprozesse zwischen Plastid und Zellkern nehmen und damit eine Veränderung photosynthetischer Parameter induzieren [9]. Die funktionelle Interaktion von Proteinimport und -abbau ist im unteren Abbildungsteil phänotypisch illustriert. Abbildung modifiziert nach [9]. beiden Enden mit dem 20S CP assoziiert sein kann [5, 6]. In höheren Pflanzen konnte kürzlich ein direkter Einfluss des Proteasoms auf das Proteinimportsystem und damit auf die Chloroplastenbiogenese identifiziert werden. Zum Beispiel steuert die DELLA-Protein-vermittelte Degradation von Toc159 die Regulation der Chloroplastenbiogenese in einer frühen Entwicklungsphase [7]. Ein neu entdeckter Proteindegradationsweg ist mit Chloroplasten assoziiert und wird deshalb als CHLORAD (chloroplast-associated protein degratation) bezeichnet. Hier vermitteln drei Proteine (SP1, SP2 und CDC48) die Ubiquitinierung und Retrotranslokation von TOCKomponenten und deren Abbau über das UPS. CHLORAD hat möglicherweise eine Funktion bei der Reorganisation der Importmaschinerie der äußeren Hüllmembran, um die dynamische Regulation des Chloroplastenproteoms unter Stressbedingungen oder bei Entwicklungsprozessen zu ermöglichen [2]. Die Proteasom-vermittelte Vorläuferdegradierung beeinflusst die Photosyntheseleistung In unseren Arbeiten haben wir einen bisher unbekannten Mechanismus für die proteasomale Kontrolle plastidärer Prozesse identifiziert. Wir konnten zeigen, dass eine leichte Veränderung der Proteasomaktivität zu einer verbesserten Photosyntheseleistung im Modellorganismus Arabidopsis thaliana führt. Zunächst haben wir Pflanzenlinien mit Mutationen im 19S RP des Proteasoms identifiziert und den Effekt auf die Proteasomabundanz sowie die proteolytische Aktivität untersucht (Abb. 1). Eine Mutation in der 19S-RP-Untereinheit non-ATPase subunit 8a (Rpn8a) führt zu einer signifikanten Erhöhung der 20S-Untereinheit, die vermutlich kompensatorische Funktion besitzt. So ist die proteolytische Gesamtaktivität trotz einer signifikanten Verringerung der 19S-Untereinheit nicht verändert [8]. Untersuchungen auf Transkriptebene zeigten dennoch klare Anzeichen für proteolytischen Stress in den rpn8a-Mutanten, denn die Expressi (...truncated)