Die äußere Chloroplastenmembran–kein passives Sieb für Metabolite!

446 W I S S EN S CH AFT Membrantransport Die äußere Chloroplastenmembran – kein passives Sieb für Metabolite! BETTINA BÖLTER, FRANZ HAGN FAKULTÄT FÜR BIOLOGIE, PFLANZENWISSENSCHAFTEN, LMU MÜNCHEN, PLANEGG-MARTINSRIED BAYERISCHES NMR ZENTRUM (BNMRZ), DEPARTMENT OF BIOSCIENCE, TUM SCHOOL OF NATURAL SCIENCES, TU MÜNCHEN, GARCHING Chloroplasts are essential for energy production and metabolism in plants. Metabolites need to be transported across the two envelope membranes of the chloroplast. In contrast to the inner envelope, we know little about the properties of the outer envelope. We here summarize structural and functional insights on the prototype outer envelope channel OEP21 suggesting that these channels have a distinct level of selectivity, opposing the idea of acting as more simple and passive molecular sieves. DOI: 10.1007/s12268-023-1983-y © Die Autorinnen und Autoren 2023 ó Zu Beginn seiner Existenz bot Planet Erde ein völlig anderes Bild, als wir es heute kennen – kahl und lebensfeindlich. Die Entwicklung der oxygenenen Photosynthese in den Vorläufern heutiger Cyanobakterien vor ca. 2,3 Milliarden Jahren [1] ermöglichte die Entstehung einer riesigen Diversität von sauerstoffabhängigen Organismen, die im Laufe der Evolution immer komplexer wurden. Pflanzen begannen ihren Siegeszug über die Erde vor ca. einer Milliarde Jahren, als ein bereits eukaryotischer Urahn ein photosynthetisches Cyanobakterium aufnahm, und dieses über die Zeit in die Wirtszelle fest integriert wurde. Am Ende dieses als Endosymbiose bezeichneten Prozesses stand der heutige Chloroplast (Abb. 1). Dieses neu erworbene Organell ist wie seine Vorfahren von zwei Membranen umgeben, der äußeren und der inneren Chloroplastenmembran. Um das Prinzip der Arbeitsteilung zwischen den Kompartimenten in einer Pflanzenzelle optimal zu nutzen, mussten diverse Transportprozesse über diese Membranen entwickelt werden. Zu diesem Zweck übernahm die Zelle teilweise bereits vorhandene cyanobakterielle Mechanismen und Proteine, zum Teil wurden neue, eukaryotische Elemente in den ˚ Abb. 1: Entstehung der photosynthetischen Eukaryoten. Eine eukaryotische Vorläuferzelle, die bereits Nukleus (N) und Mitochondrien (M) enthält, nimmt ein Cyanobakterium (Cy) auf. Dieses wird im Laufe der Evolution als Endosymbiont in den Organismus integriert und wird letztlich zum Chloroplasten, dem charakteristischen Organell aller photosynthetischen Eukaryoten. Chloroplasten etabliert [2]. Der Transport von Metaboliten muss in beide Richtungen streng kontrolliert werden, um jederzeit dem Bedarf der Zelle sowie dem der gesamten Pflanze gerecht werden zu können. Lange hielt sich die Lehrmeinung, dass die Regulation von Transportprozessen ausschließlich an der inneren Membran erfolgt, während die äußere eine siebartige Struktur aufweist und den Durchtritt von Stoffen lediglich hinsichtlich ihrer Größe kontrolliert. Diese Ansicht begann sich vor einiger Zeit aufgrund neuer Erkenntnisse zu wandeln [3]. Die Familie der Porine in Chloroplasten Schon in den bakteriellen Vorfahren der Chloroplasten sitzen in der äußeren Membran Kanalproteine, die als Porine bezeichnet werden [4]. Strukturelle Analoge finden sich auch in den rezenten pflanzlichen Organellen, die entsprechend ihrer Lokalisation OEPs genannt werden (outer envelope proteins). Typischerweise bestehen Porine aus 8-24 transmembranen β-Faltblatt Strängen, die eine Pore bzw. einen Kanal bilden (β-barrel) [5]. Die bakteriellen Vertreter der Porine werden in drei Klassen aufgeteilt: 1. Generelle Porine, die als unspezifische größen-selektive Poren fungieren, d. h. tatsächlich wie ein Sieb; 2. Substratspezifische Porine, die eine geringe Affinität zu ihrem Cargo aufweisen und 3. Liganden-regulierte energieabhängige Porine mit hoher Affinität zum Substrat [6, 7]. Schon in diesen ursprünglichen Organismen gibt es also stoffspezifische, regulierte Porenproteine in der äußeren Membran. In Chloroplasten findet sich dort eine relativ hohe Anzahl an verschiedenen Porinen und anderen Transportproteinen [8], die OEPs, deren Substratspezifität noch relativ unklar ist (Abb. 2). Die Menge der einzelnen OEPs (v. a. OEP16, OEP21, OEP23, OEP24, OEP37, OEP40) in der Membran scheint von der photosynthetischen Leistung der Pflanze abzuhängen. So sind in schnellwachsenden Pflanzen, wie z. B. dem Mais, die größeren Porine stärker vertreten als in langsamer wachsenden BIOspektrum | 05.23 | 29. Jahrgang 447 Pflanzen, wie z. B. der Erbse [9]. Das am besten charakterisierte OEP ist OEP21. OEP21 – ein Paradebeispiel für ein substratspezifisches und reguliertes Porin Unsere Arbeit an OEP21, einem OEP mit 21 kDa Molekulargewicht, begann vor 25 Jahren. Zunächst wurde das Protein biochemisch und elektrophysiologisch charakterisiert. Die biochemischen Untersuchungen ergaben, dass OEP21 wie ein klassisches Porin Multimere in der Membran bilden kann und mittels eines spezifischen konservierten Aminosäuremotivs ATP zu binden vermag (Abb. 3). Die elektrophysiologischen Studien an heterolog exprimiertem Protein in artifiziellen Lipiddoppelschichten zeigten, dass OEP21 einen Anionen-selektiven Kanal bildet, der in eine Richtung rektifizierend ist, d. h. eine präferierte Transportrichtung hat, und u. a. Triosephosphate (TP, Primärprodukt der Photosynthese) transportiert. Diese Eigenschaften werden durch die Anwesenheit von ATP beeinflusst [10, 11]. Die Daten BIOspektrum | 05.23 | 29. Jahrgang ˘ Abb. 2: Die Porine in der äußeren Chloroplastenmembran. Schematische Darstellung der bisher identifizierten OEPs. Die β-barrelStrukturen sind in Blautönen, die α-helikalen Proteine in violett dargestellt. Zahlen repräsentieren das Molekulargewicht. wiesen bereits damals darauf hin, dass OEP21 eine wichtige Rolle im Transport von primären Photosyntheseassimilaten spielt und abhängig von der Energieladung der Zelle und des Chloroplasten reguliert wird. Vor kurzem konnten wir nun durch die Strukturbestimmung mit NMR-Spektroskopie zeigen, dass OEP21 ein trichterförmiges β-barrel aus 12 β-Strängen mit einer stark positiv geladenen inneren Porenoberfläche bildet [12]. Diese strukturellen Details, sowie der ca. 1 nm große Durchmesser der OEP21Pore stimmen mit den elektrophysiologischen Messungen gut überein, in denen der Kanal als Anionen-selektiv charakterisiert wurde [10]. Ebenso konnte die nach außen rektifizierende Eigenschaft von OEP21 anhand der Struktur bestätigt werden, da die breitere Öffnung des Trichters zum Intermembranraum gerichtet ist, sodass TP aus dem Chloroplasten in Richtung Cytosol kanalisiert werden können. Eine systematische Analyse möglicher weiterer Substrate ergab, dass OEP21 Metabolite neben der negativen Ladung in erster Linie nach Größe diskriminiert. Moleküle mit einem Molekulargewicht größer als 1 kDa können die Pore nicht passieren [12]. Weitere Experimente bestätigten 448 W I S S EN S CH AFT ¯ Abb. 3: Struktur und Regulation von OEP21. Schematische Darstellung der Funktionalität der OEP21-Pore unter verschieden (...truncated)