Deg Proteases in Arabidopsis thaliana

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2008
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Deg-Proteasen in Arabidopsis thaliana
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Dissertation
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Zusammenfassung

Proteasen, auch Peptidasen genannt, sind Enzyme zur Hydrolyse von Peptidbindungen. Sie sind an vielen zellulären Prozessen beteiligt, u.a. an der Qualitätskontrolle von Proteinen, an der Aufnahme von Nährstoffen, an der posttranslationalen Modifizierung von Proteinvorstufen, und sind außerdem verantwortlich für viele zelluläre Signalübertragungsvorgänge. Deg-Proteasen (auch HtrA-Proteasen genannt) bilden eine Familie ATP-unabhängiger Serinendopeptidasen und kommen in fast jedem Organismus vor. Zusätzlich zu ihrer Proteasendomäne besitzen die meisten Deg-Proteasen ein oder mehrere PDZ-Domänen zur Protein-Protein-Interaktion. Das vollständig sequenzierte Genom des pflanzlichen Modellorganismus Arabidopsis thaliana enthält 16 Gene für Deg-Proteasen, über deren Rolle im Organismus jedoch kaum etwas bekannt ist. Die Grundlage der hier vorliegenden Arbeit sind meine Untersuchungen an vier Deg-Proteasen aus dieser Pflanze.
DEG15 ist, wie wir zeigen konnten, eine peroxisomale Protease. Sie ist verantwortlich für das Prozessieren von Proteinen, welche ein PTS2 (Peroxisomal Targeting Signal 2) Signal Peptid enthalten, ein Vorgang, der nur in höheren Eukaryoten vorkommt. Durch unsere Analyse von Arabidopsis-deg15-Knock-Out-Mutanten konnten wir zeigen, daß diese Pflanzen einen Defekt in der Beta-Oxidation von Hormonvorstufen besitzen. Dies ist ein erster Hinweis auf die Wichtigkeit dieses Prozesses für den Organismus. Das entsprechende DEG15 ähnliche Protein aus Säugetieren wurde als eine neue Art von Cysteinprotease klassifiziert, doch wir konnten durch Mutagenesestudien beweisen, daß DEG15 tatsächlich eine Serinprotease ist.
DEG7 gehört zu einer Gruppe von Deg-Proteasen, welche nur in Pflanzen und Pilzen vorkommen. Wir erkannten, daß dieses Protein aufgrund seiner ungewöhnlichen Domänenstruktur einen neuartigen Oligomerisierungs-Mechanismus besitzt. Außerdem konnten wir zeigen, daß DEG7 aus Arabidopsis, anders als das entsprechende Protein aus der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, nicht an der Durchführung des Programmierten Zelltods beteiligt ist. Zusätzlich identifizierten wir aus einer Arabidopsis-cDNA-Bibliothek mehrere Gene, welche für potentielle DEG7 Interaktionspartner kodieren.
In dieser Arbeit konnten wir außerdem DEG9 als die erste Protease im Nukleolus identifizieren, welche keinen Teil des Ubiquitin-Proteasom-Systems darstellt. Normalerweise liegt sie in unseren in-vitro-Versuchen als Hexamer vor, doch ist ihr Oligomerisierungsgrad abhängig von dem Vorhandensein ihrer PDZ-Domäne. Arabidopsis Pflanzen, welche kein DEG9-Protein besitzen, zeigten keine phänotypischen Veränderungen gegenüber Wildtyp-Pflanzen. Gleiches gilt für Pflanzen mit einem erhöhten Level and DEG9.
Frühere Arbeiten in unserem Labor haben DEG2 als ein chloroplastidäres Enzym identifizert, welches unter Lichtstress für den Abbau des D1-Proteins aus dem Photosystem II verantwortlich ist. Da diese Arbeiten auf in-vitro-Daten beruhten, haben wir untersucht, in welchem Maße der D1-Abbau in Arabidopsis-Linien ohne DEG2 beeinträchtigt ist. Da diese deg2-Knock-Out-Pflanzen im Vergleich zu Wildtyp-Pflanzen keinen Unterschied zeigten, entwickelten wir ein erweitertes Modell des D1-Abbaus und der daran beteiligten Proteasen.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Proteases, also referred to as peptidases, are enzymes mediating the hydrolysis of peptide bonds. They are employed in a variety of cellular processes, e.g. protein quality control, nutrient uptake, maturation of protein precursor forms and signal transduction processes. Deg proteases, also named HtrA proteases, are a family of ATP independent serine endopeptidases found in almost all organisms. Beside their protease domain, most members of this family also contain one or more PDZ protein-protein interaction domains. In the genome of the model plant Arabidopsis thaliana, 16 Deg protease encoding genes have been identified, but the knowledge about the physiological function of the proteins is still limited. In this work, I investigated the role of four members of this protein family in Arabidopsis.
We were able to show that DEG15 is a peroxisomal protease that is involved in the processing of proteins containing a peroxisomal targeting signal 2, a process that is restricted to higher eukaryotes. We report that an Arabidopsis deg15 knock-out mutant line shows an expressed phenotype linked to decreased beta-oxidation, which is a first hint towards the importance of this process to the organism. The homologous mammalian peroxisomal processing protease was reported to represent a a novel type of cysteine proteases. However, we were able to show by site-directed mutagenesis that DEG15 is a serine protease.
DEG7 is a Deg protease with homologs restricted to plants and fungi. We could show that this protein is localized to the nucleus and exhibits a novel mode of oligomerization due to its unusual domain arrangement. Furthermore, we demonstrate that DEG7 is not involved in programmed cell death, contrary to the DEG7-like protein from Saccharomyces cerevisiae. We also identified interaction partners of this protease by a yeast two-hybrid screen.
In this work, DEG9 was identified as the first nucleolar protease that is not connected to the ubiquitine-proteaseome system. In vitro, it is a hexameric protein, depending on the presence of the PDZ domain. Arabidopsis deg9 knock-out lines as well as DEG9 overexpressing lines did not show an expressed phenotype.
The chloroplast DEG2 protease was, based on in vitro studies, identified as an enzyme that degrades the D1 protein from the Photosystem II after light stress. Our analysis of Arabidopsis deg2 knock-out lines showed that these plants show no altered D1 turnover under high-light stress. Therefore, we present an extended model for the proteases involved in D1 degradation.

Fachgebiet (DDC)
500 Naturwissenschaften
Schlagwörter
Proteases, Arabidopsis, thaliana
Konferenz
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Zitieren
ISO 690SCHUHMANN, Holger, 2008. Deg Proteases in Arabidopsis thaliana [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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July 15, 2008
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