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Discovery of organellar calcium signaling components in Arabidopsis thaliana

Simon Stael

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Zentrum für Molekulare Biologie

Betreuer*in

Markus Teige

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URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30178.61465.445866-4

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

In dieser Dissertation wird die Rolle von Organellen in der Kalzium-abhängigen Signaltransduktion in Pflanzen untersucht. Pflanzen und andere eukaryotische Organismen nutzen Kalzium als sekundären Botenstoff („secondary messenger“), um sich schnell an veränderte Umweltbedingungen anzupassen, oder um ihre Entwicklungsprozesse zu steuern. Die Bedeutung von Kalzium-abhängiger Signaltransduktion („calcium signaling“) in der Pflanzenphysiologie ist heute gut etabliert, ist aber bisher hauptsächlich auf zytosolische Prozesse fokussiert. Um weitere Einblicke in „calcium signaling“ in pflanzlichen Organellen zu bekommen, habe ich den Einfluss von Kalzium auf Plastiden, Mitochondrien und Peroxisomen untersucht, und zum Teil auch den Einfluss dieser Organellen auf das „calcium signaling“ im Rest der Zelle. Ich habe meine Arbeit mit einer Suche nach Kalzium-bindenden Proteinen in Chloroplasten in einem gerichteten proteomischen Ansatz und intensiven Recherchen in Datenbanken begonnen. Am Ende waren die Resultate dieser Arbeit nicht nur auf Plastiden beschränkt, da ich auch neuartige Komponenten des „calcium signaling“ in Mitochondrien und Peroxisomen entdeckt habe. Die Proteomischen Ansätze führten zur Identifizierung von zwei bestätigten Kalzium-bindenden Proteinen im Chloroplasten: LENA (Little E-enriched protein A), welches vermutlich eine Komponente des lange gesuchten Kalziumspeichers im Plastiden darstellt, und SAMTL (S adenosyl methionine transporter-like), einem Mitglied der Mitochondrial Carrier Familie (MCF), welches vermutlich in einer Kalzium-abhängigen Weise SAM in Chloroplasten transportiert. Zusätzlich wurden drei weitere Kalzium-abhängige MCF Proteine identifiziert, die ATP/Phosphat Carrier APC1, 2 und 3. Phylogenetische Analysen und funktionelle Komplementation von Hefemutanten legen nahe, dass APC1-3 in Mitochondrien lokalisiert sind und eine Rolle unter Sauerstoffmangelbedingungen spielen könnten. Außerdem wurde ein organellenlokalisiertes EFHand Protein mit einer Masse von 18 kDa (OEF18) identifiziert, welches dual im äußeren Chloroplasten Envelope und in Peroxisomen lokalisiert ist und in den Prozess der Organellenteilung involviert sein lönnte. Zusätzlich zu meinen Ansätzen, neuartige organellenlokalisierte Kalzium-bindende Proteine zu identifizieren, habe ich auch einen möglichen „cross-talk“ zwischen „calcium signaling“ und Proteinphosphorylierung im Chloroplasten untersucht. Dabei konnte eindeutig eine Kalziumabhängige Phosphorylierung der drei Chloroplastenproteine, PsaN (Photosystem I Untereinheit N), der FtsH Protease VAR1 (Variegated 1) und CAS (Calcium Sensor Protein) gezeigt werden. Über die funktionelle Bedeutung dieser neuen Regulation kann soweit nur spekuliert werden, aber diese Ergebnisse bilden jetzt eine stabile Basis für weitere Untersuchungen über die Rolle der Kalziumabhängigen Protein Phosphorylierung in Chloroplasten.

Abstract

(Englisch)

My thesis is focused on the role of organelles in plant calcium signaling. Plants and other eukaryotic organisms use calcium ions as secondary messengers in order to acclimate rapidly to changes of the environment or to assist in developmental programs. The importance of calcium signaling on plant physiology is well established today, but has so far focused mainly on calcium signaling in the cytosol. To get insights into plant organellar calcium signaling, I have studied the impact of calcium on plastids, mitochondria and peroxisomes, and to a minor extent also the influence of these organelles on calcium signaling in the rest of the cell. Initially, I started with a search for calcium binding proteins in the chloroplast by targeted proteomics and data mining. However, the results of this work were in the end not only restricted to plastids as I discovered novel calcium signaling components of the mitochondria and peroxisomes. The proteomic approaches resulted in the identification of two confirmed chloroplast calcium binding proteins. LENA (Little E-enriched protein A) is predicted to be a protein component of the long-hypothesized calcium storage of the plastid. SAMTL (S-adenosyl methionine transporter-like) is a member of the mitochondrial carrier family and predicted to transport SAM into chloroplasts in a calcium-dependent manner. The three calcium-dependent mitochondrial carrier family (MCF) proteins, APC1, 2 and 3 (ATP/phosphate carriers 1, 2 and 3) localize to mitochondria. Phylogenetic analysis and complementation of yeast mutants suggested APC1, 2 and 3 to be mitochondrial ATP importers, which could be needed during periods of anoxia. Furthermore an organellar EF-hand protein of 18 kDa (OEF18) was discovered in the course of a study on the impact of protein N-acylation for organellar targeting. This protein was identified by data mining as well as in the proteomic approach. Subsequent work showed that OEF18 is dually targeted to the plastid outer envelope and peroxisomal membrane and might be involved in the process of organellar division. In addition to my approaches to identify novel organellar Ca2+ binding proteins, I have studied a potential crosstalk between calcium signaling and protein phosphorylation in chloroplasts. Three chloroplast proteins, PsaN (subunit N of Photosystem I), the FstH protease VAR1 (Variegated 1) and CAS (Calcium sensing protein) were conclusively found to be phosphorylated in a calcium dependent manner. The implications of this novel regulation are speculative, but the presented findings provide a stable base to further investigate the impact of calcium dependent protein phosphorylation on chloroplast function.

Autor*innen

Simon Stael

Haupttitel (Englisch)

Discovery of organellar calcium signaling components in Arabidopsis thaliana

Paralleltitel (Deutsch)

Entdeckung von Kalzium-abhängigen Signaltransduktionskomponenten in Organellen von Arabidopsis thaliana

Publikationsjahr

2011

Umfangsangabe

181 S. : Ill., graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Andreas Weber ,

Wolfgang Loeffelhardt

Klassifikation

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie

AC Nummer

AC08935813

Utheses ID

15593

Studienkennzahl

UA | 091 | 490 | |

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