Untersuchungen zur Struktur und Funktion von photosynthetischen Proteinen in Eukaryoten

Zusammenfassung
Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit strukturellen und funktionellen Untersuchungen zur Photosynthese, hauptsächlich bei höheren Pflanzen und Diatomeen (Kieselalgen). Neben allgemein physiologischen, biochemischen, molekularbiologischen und spektroskopischen Methoden werden dabei Untersuchungen zur Struktur von Membranproteinen mit Hilfe der Elektronenmikroskopie (Einzelpartikelanalyse und Elektronenkristallographie an zweidimensionalen Proteinkristallen) durchgeführt. Mit der Einzelpartikelanalyse lassen sich Proteinkomplexe wie z.B. Photosystem II visualisieren (Abb. 1a). Zudem laufen Untersuchungen zur Interaktion der Proteine untereinander, zum Energietransfer zwischen den Pigmenten der photosynthetischen Proteine sowie zur Regulation der lichtabhängigen Reaktionen der Photosynthese in Diatomeen.

Projekte

Photosystem II
Auch wenn die verschiedenen photosynthetischen Organismen, Eukaryoten wie z.B. höhere Pflanzen, Grünalgen, Rotalgen, Braunalgen, Diatomeen u.a., sowie die prokaryotischen Cyanobakterien nur sehr weitläufig verwandt sind, so sind doch ihre Photosysteme grundsätzlich ähnlich. Abb. 1a zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme nach Bildanalyse (Einzelpartikelanalyse) eines PSII-Dimers aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, welches zur Lokalisation einer der Untereinheiten mit einem Goldlabel versehen wurde. Diese Ansicht entspricht einer Aufsicht auf die Thylakoidmembran, und Abb. 1b gibt einen schematischen Überblick über dieses PSII Dimer.

Abb 1: Einzelpartikelanalyse von Photosytem II aus Chlamydomonas reinhardtii, der N-terminus der psbH-Untereinheit ist mit einem Goldlabel markiert.

Um die Isolation des Photosystem II höherer Pflanzen zu erleichtern, haben wir Tabakpflanzen transformiert, so dass eine Untereinheit des PSII mit einem His-Tag zu versehen ist.
Ein weiteres Projekt beschäftigt sich mit PsbS, ein den Lichtsammelkomplexen (LHC) verwandtes Protein, welches in der Regulation der Photosynthese eine Rolle spielt. Hierbei werden die Gehalte und die Lokalisation dieses Proteins in Abhängigkeit von Anzuchtsbedingungen auf der genetischen (quantitative RealTime PCR) sowie der Proteinebene untersucht.

Lichtantennenkomplexe bei Diatomeen
Die auffälligsten Unterschiede zwischen eukaryotischen photosynthetischen Organismen bestehen bezüglich ihrer Lichtantennenkomplexe, besonders in Bezug auf die Pigmentierung. Die Diatomeen besitzen membranintrinsische LHC wie höhere Pflanzen, jedoch mit Chl c statt Chl b und Fucoxanthin statt Lutein. Diese Unterschiede in der Pigmentierung der LHC sind auch für die verschiedene Färbung der gesamten Organismen verantwortlich. Momentan werden die so genannten Fucoxanthin-Chlorophyll-Proteine (FCP) der Diatomeen untersucht. Abb. 2 zeigt die verwendete Cyclotella meneghiniana in Licht- und Rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen. Neben den Lichtantennen unterscheidet sich auch die Thylakoidstruktur (Abb. 2), da die von höheren Pflanzen bekannte Differenzierung in Grana- und Stromathylakoide fehlt.

Abb. 2 Licht- und Rasterelekronenmikroskopische Aufnahme von Cyclotella meneghiniana und Thylakoidstruktur von heterokonten Algen

Auch wenn die Aminosäuresequenzen der FCP eine hohe Homologie zu denen der LHC höherer Pflanzen aufweisen, bedingen die unterschiedlichen physiko-chemischen Eigenschaften der an sie gebundenen Pigmente, dass diese Proteine ein interessantes Objekt für strukturelle Untersuchungen sind. Biochemische Untersuchungen ergaben neben unterschiedlichen Oligomerisierungsgraden im Vergleich zu höheren Pflanzen auch eine Differenzierung der Polypeptidzusammensetzung und Pigmentierung der verschiedenen Komplexe. Hierbei konnte zum ersten Mal eine Reduktion der Fluzoreszenzausbeute in Abhängigkeit von dem Gehalt an mit dem Schutzpigment Diatoxanthin gezeigt werden (Abb. 3)

Abb. 3: Das mittlere Panel zeigt die Polypeptidzusammensetzung zweier unterschiedlicher FCP-Komplexe aus Algen, die im Schwachlicht- bzw. Starklicht angezogen wurden. Links davon die Fluoreszenzemissionspektren, rechts der Gehalt an Diatoxanthin, einem Schutzpigment, im Vergleich zum Gesamtpool an Diadino- und Diatoxanthin (Beer et al. 2006).

Weitere Arbeiten beschäftigen sich mit der Charakterisierung verschiedener FCP, deren Lokalisation in der Thylakoidmembran, der Zuordnung zu den Photosystemen und der Regulation der Expression unter verschiedenen Anzuchtsbedingungen. Letzteres wird in Abhängigkeit von verschiedenen Photorezeptoren im Rahmen einer Forschergruppe der DFG (Specific light driven reactions in unicellular model algae (FOR 1261), http://www.uni-jena.de/en/DFG_Research__Group_1261.html) untersucht. Im Rahmen eines weiteren DFG-Projektes liegt der Fokus derzeit auf der Unterscheidung von Fcp-Polypeptiden, deren Hauptaufgabe die Lichtsammlung ist, und denen, die in den Lichtschutz durch nicht-photochemische Fluoreszenzlöschung involviert sind. Die Isolation spezifischer Proteine wird dabei durch His-tagging der einzelnen Polypeptide erleichtert. In diesem Zusammenhang bestehen Kooperationen innerhalb (S. Wachtveitl) und außerhalb der Universität (B. Robert, R. v. Grondelle), um die Anordnung der Pigmente sowie den Energietransfer zwischen ihnen mit hochauflösenden spektroskopischen Methoden zu untersuchen. Der Mechanismus des NPQs selber wird im Rahmen eines EU Projektes untersucht (ITN: HARVEST - Control of Light Use Efficiency in Plants and Algae - From Light to Harvest). http://www.nat.vu.nl/en/research/physics-life-health/ElementaryEventsinBiophysics/marie-curie-itn-harvest/index.asp

geändert am 16. November 2011  E-Mail: Webmasterm.fauth@bio.uni-frankfurt.de