Reciprocal Regulation of Protein Synthesis and Carbon Metabolism for Thylakoid Membrane Biogenesis

Enzym überrascht mit Doppelrolle

Photosynthese findet an speziellen Membranen von Pflanzenzellen statt. Diese Membranen bestehen aus Proteinen und Lipiden, die im Chloroplast produziert werden. LMU-Wissenschaftler zeigen nun eine unerwartete Verknüpfung beider Synthesewege.

Die Photosynthese ist einer für das Leben bedeutendsten Prozesse auf der Erde. Sie findet innerhalb der Chloroplasten pflanzlicher Zellen an spezialisierten Photosynthese-Membranen statt, den sogenannten Thylakoiden, die aus vielfältigen Proteinkomplexen und einer Lipid-Doppelschicht bestehen. Für den Aufbau dieser Membranen müssen daher sowohl Proteine als auch Lipide produziert werden. "Bisher ist nur wenig bekannt, wie diese beiden Biosynthesewege verknüpft sind, um einen koordinierten Zusammenbau der Membran zu ermöglichen", sagt Professor Jörg Nickelsen vom Biozentrum der LMU.

Bislang wurden beide Biosynthesewege unabhängig voneinander betrachtet. Nickelsen konnte nun mit seinem Team in der Grünalge Chlamydomonas ein Chloroplastenprotein identifizieren, das an beiden Prozessen beteiligt ist und somit einen ersten Hinweis auf die Verknüpfung dieser Biosynthesewege darstellt: Es handelt sich dabei um die sogenannte E2-Untereinheit des Pyruvatdehydrogenase-Komplexes, von dem bereits bekannt ist, dass er Vorläufermoleküle für die Fettsäure- und damit letztlich die Lipidsynthese produziert. "Überraschenderweise zeigten unsere Forschungsergebnisse nun eine zweite Funktion dieses Enzyms in der räumlichen Organisation der Genexpression im Chloroplasten", sagt Nickelsen.

Wachstumsbedingungen steuern aktuelle Enzymfunktion
In seiner zweiten Funktion dient das Enzym als RNA-bindender Faktor, der die Produktion photosynthetischer Proteine der Thylakoide reguliert, um ihre Menge dem zellulären Bedarf anzupassen. "Welche dieser zwei Funktionen das Enzym ausübt, scheint vor allem von den Wachstumsbedingungen der Alge und den dadurch erzeugten Stoffwechsel-Signalen abzuhängen", erläutert Nickelsen, "damit ist die E2-Untereinheit an beiden grundlegenden Prozessen der Biogenese der Photosynthese-Membranen beteiligt: der Lipid- und der Proteinsynthese".

Die Wissenschaftler nehmen an, dass die E2-Untereinheit ein Kontrollpunkt der Membranbiogenese ist, der es möglich macht, Protein- und Lipidsynthese aufeinander abzustimmen. Darüber hinaus gibt es Hinweise, dass dieses Phänomen nicht auf Grünalgen beschränkt ist, sondern auch in evolutionär entfernten Organismen auftritt - etwa in Cyanobakterien oder auch beim Menschen. Somit könnten diese Ergebnisse die Enthüllung ähnlicher Regulationsprozesse zur Membranbiogenese auch in nicht-pflanzlichen Organismen anstoßen.

In der Zukunft könnten die neuen Erkenntnisse zur Biogenese der Photosynthese-Membranen zudem neue Angriffspunkte für eine gezielte Manipulation liefern - und somit zur Verbesserung der Photosynthese und der Biomasseproduktion durch Nutzpflanzen beitragen. (PLoS Biology, 2013)

Quelle: Pressemitteilung der LMU.

Veröffentlichung:
Bohne A-V, Schwarz C, Schottkowski M, Lidschreiber M, Piotrowski M, et al. (2013) Reciprocal Regulation of Protein Synthesis and Carbon Metabolism for Thylakoid Membrane Biogenesis. PLoS Biol 11(2): e1001482. doi:10.1371/journal.pbio.1001482