Dokument: Exploring transport processes across the symbiotic interface of amoebal host and early-stage photosynthetic organelle in Paulinella chromatophora

Titel:	Exploring transport processes across the symbiotic interface of amoebal host and early-stage photosynthetic organelle in Paulinella chromatophora
Weiterer Titel:	Untersuchung von Transportprozessen entlang der symbiotischen Kontaktfläche von Wirts-Amöbe und jungem photosynthetischen Organell in Paulinella chromatophora
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=56060
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20210422-104859-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Oberleitner, Linda [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 32,08 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 21.04.2021 / geändert 21.04.2021
Beitragende:	Prof. Dr. Nowack, Eva C. M. [Gutachter] Prof. Dr. Schmitt, Lutz [Gutachter]
Stichwörter:	Paulinella, chromatophore, organellogenesis, endosymbiosis, protein import, OPR-proteins
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	The endosymbiotic acquisition of mitochondria and plastids > 1 billion years ago was central for the evolution of eukaryotic life. However, the complex processes that enable organelle integration remain poorly understood as mitochondria and plastids, owing to their ancient origin, can provide only limited insights into early stages of organellogenesis. The photosynthetic organelles in amoeba of the genus Paulinella, called “chromatophores”, evolved independently from plastids ~100 million years ago from a cyanobacterium. Thus, chromatophores offer the possibility to determine common rules and to reveal the degrees of freedom during early steps of organelle evolution. It has been shown earlier that massive import of nuclear encoded proteins into chromatophores has already established and a chromatophore transit peptide (crTP) has been identified. However, little is known about the chromatophore protein import route and the factors involved. Protein import machineries comparable to the translocons present in mitochondria and plastids are absent and the crTP differs fundamentally from other known N-terminal targeting sequences. To learn more about the function of the crTP, mature N-termini of nuclear encoded proteins were determined upon import into chromatophores via high-efficiency undecanal-based N-termini enrichment followed by mass spectrometry. The analysis revealed specific cleavage of the crTP and enabled revaluation of the current working model for protein import into chromatophores that involves protein trafficking through the Golgi. Interestingly, chromatophores also show tight metabolic integration into the host cell, while at the same time chromatophore-encoded metabolite transporters are strikingly rare. These findings imply that similar to the situation in mitochondria and plastids, nuclear encoded transporters were recruited to establish metabolic connectivity. To identify such transporters, enriched insoluble protein fractions of isolated chromatophores were analyzed by mass spectrometry. In a second approach, selected nuclear encoded candidate chromatophore envelope transporters were characterized in heterologous systems and specific antibodies were generated to evaluate the subcellular localization of a putative amino acid transporter. The results imply that, unexpectedly, nuclear encoded transporters are not inserted into the chromatophore inner envelope. Instead, several expanded groups of short chromatophore-targeted orphan proteins were identified that might be involved in modulating membrane permeability, suggesting that the mechanism generating metabolic connectivity of the chromatophore fundamentally differs from the one in mitochondria and plastids. Yet another critical factor for organellogenesis appears to be the establishment of nuclear control over organellar gene expression. Chromatophore-localized biosynthetic pathways as well as multiprotein complexes include proteins encoded in either the organellar or nuclear genome, suggesting coordination of gene expression levels between both. This study identified an expanded family of chromatophore-targeted helical repeat proteins that resemble known eukaryotic organelle-targeted expression regulators, suggesting their convergent evolution. Der endosymbiotische Erwerb von Mitochondrien und Plastiden vor > 1 Milliarde Jahren war zentral für die Evolution eukaryotischen Lebens. Da diese Organellen jedoch, bedingt durch ihre frühe Entstehung, nur eingeschränkt Einblicke in frühe Stadien der Organellogenese bieten können, sind die komplexen Prozesse, die die Integration eines Organells ermöglichen, noch weitgehend unverstanden. Die photosynthetischen Organellen in Amöben der Gattung Paulinella, „Chromatophoren“ genannt, entstanden unabhängig von Plastiden vor ~100 Millionen Jahren aus einem Cyanobakterium. Daher bieten Chromatophoren die Möglichkeit, sowohl allgemeine Regeln, als auch Freiheitsgrade früher Stadien der Organellenevolution zu ermitteln. Bisher konnte gezeigt werden, dass ein massiver Import von kernkodierten Proteinen in Chromatophoren bereits stattfindet und ein Chromatophoren-Transitpeptid (crTP) wurde identifiziert. Über den Proteinimportweg und involvierte Faktoren ist jedoch einstweilen wenig bekannt. Proteinimportmaschinerien, die vergleichbar mit den Translocons in Mitochondrien und Plastiden wären sind nicht vorhanden und das crTP unterscheidet sich fundamental von anderen N-terminalen Targeting-Sequenzen. Um mehr über die Funktion des crTPs zu erfahren, wurden die N-Termini kernkodierter Proteine nach dem Import in die Chromatophoren durch „hocheffiziente Undecanal-basierte N-Termini-Anreicherung“ und anschließende massenspektrometrische Analyse bestimmt. Die Analyse offenbarte eine definierte Spaltung des crTPs und ermöglichte die Weiterentwicklung des aktuellen Modells für Proteinimport in Chromatophoren, welches Proteinmigration durch den Golgiapparat vorsieht. Interessanterweise sind Chromatophoren auch metabolisch stark in die Wirtszelle integriert, während chromatophorenkodierte Metabolittransporter gleichzeitig bemerkenswert selten sind. Diese Erkenntnis legt nahe, dass, wie in Mitochondrien und Plastiden, kernkodierte Transporter rekrutiert wurden, um metabolische Konnektivität zu etablieren. Um solche Transporter zu identifizieren, wurden unlösliche Proteinfraktionen isolierter Chromatophoren angereichert und massenspektrometrisch analysiert. In einem zweiten Ansatz wurden ausgesuchte kernkodierte Transporter in heterologen Systemen charakterisiert und spezifische Antikörper wurden hergestellt, um die subzelluläre Lokalisation eines mutmaßlichen Aminosäuretransporters zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen unerwarteterweise, dass kernkodierte Transporter nicht in die innere Chromatophorenhüllmembran eingesetzt werden. Stattdessen wurden kurze Proteine in Chromatophoren identifiziert, die Mitglieder größerer Gruppen zu sein scheinen und in die Modulierung der Membranpermeabilität involviert sein könnten, was auf einen zu Mitochondrien und Plastiden fundamental unterschiedlichen Mechanismus zur Herstellung metabolischer Konnektivität hinweist. Einen weiteren kritischen Faktor bei der Organellogenese stellt die Etablierung der Kontrolle des Zellkerns über die Genexpression im Organell dar. Chromatophorenlokalisierte Biosynthesewege und Multi-Proteinkomplexe setzen sich sowohl aus chromatophorenkodierten, als auch aus kernkodierten Proteinen zusammen, was auf eine Koordinierung der Genexpression beider Genome hinweist. Durch Massenspektrometrie konnte eine Familie kernkodierter „Helical Repeat Proteine“ in Chromatophoren identifiziert werden, die bekannten eukaryotischen Genexpressionsregulatoren ähneln, was auf eine konvergente Evolution hinweist.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie
Dokument erstellt am:	22.04.2021
Dateien geändert am:	22.04.2021
Promotionsantrag am:	17.12.2020
Datum der Promotion:	07.04.2021