Die Rolle von DGD1 in dem eukaryotischen und prokaryotischen Galaktolipid-Metabolismus von Arabidopsis thaliana
Die Rolle von DGD1 in dem eukaryotischen und prokaryotischen Galaktolipid-Metabolismus von Arabidopsis thaliana
View/Type of Scholarly Publication
DissertationDate of Exam
18.11.2016Date of Publication
20.12.2016Advisor
Dörmann, PeterCo-Referee
Bartels, DorotheaMetadata
Show full item record
Citable Links 
Abstract
Die Galaktolipide Monogalaktosyldiacylglycerin (MGDG) und Digalaktosyldiacylglycerin (DGDG) sind die häufigsten Membranlipide der Chloroplasten. Die Biosynthese von DGDG erfolgt hauptsächlich durch die Glykosyltransferase DGD1. Neben seiner Funktion als Baustein plastidärer Membranen, sowie Bestandteil einiger photosynthetischer Komplexe, dient DGDG unter Phosphatmangel ebenfalls als Ersatz für die Phosphoglycerolipide. Unter Phosphatmangel erfolgt die Aktivierung von DGD2, einer weiteren DGDG-Synthase. In Arabidopsis gibt es zwei Biosynthesewege für die Produktion von Diacylglycerol (DAG), dem Vorläufer der Galaktolipide. In dem ersten Biosyntheseweg erfolgt die de novo-Synthese des DAGs in dem Chloroplasten. So genannte prokaryotische Lipide, die von diesem DAG abgeleitet werden, sind charakterisiert durch eine 16C-Fettsäure an der sn2-Position. Der zweite Weg involviert die Degradation extraplastidärer Phospholipide durch Phospholipasen und den Reimport der Vorläufer in den Chloroplasten. Lipide, die von diesen Vorläufern abgeleitet sind, werden auch eukaryotische Lipide genannt und sind durch eine 18C-Fettsäure an der sn2-Position charakterisiert.
In der dgd1-1-Mutante sind nur noch Restmengen von DGDG vorhanden (= 1 mol%). Unter Phosphatmangel akkumuliert DGDG in dgd1-1, katalysiert durch die Aktivität von DGD2. dgd2-1 zeigt unter optimaler Nährstoffversorgung keine Veränderung des Galaktolipidgehalts. Unter Phosphatmangel akkumuliert in dgd2-1 jedoch weniger DGDG. Innerhalb dieser Arbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass unter Phosphatmangel die Mutation der DGDG-Synthasen ebenfalls zu einer verstärkten Akkumulation von hauptsächlich eukaryotischem Triacylglycerol (TAG) führte. Dabei unterschied sich die Zusammensetzung des TAGs der DGDG-Synthase-Mutanten vom Wildtyp als auch untereinander.
In Arabidopsis setzt sich MGDG, das Substrat der DGDG-Synthasen, aus etwa 70 mol% prokaryotischen (18:3/16:3-MGDG) und 30 mol% eukaryotischen Spezies (18:3/18:3-MGDG) zusammen. Das durch DGD1 synthetisierte DGDG dieser Pflanze leitet sich hingegen in erster Linie von eukaryotischen Vorstufen (18:3/18:3) und einem geringeren Anteil prokaryotischer Vorstufen (18:3/16:0) ab. Die Aktivierung von DGD2 resultiert ausschließlich in der Akkumulation von eukaryotischem DGDG. Wodurch die Unterschiede bezüglich der Fettsäurezusammensetzung zwischen MGDG und DGDG in Arabidopsis hervorgerufen werden, war bis jetzt unklar. Mittels dieser Arbeit konnte zum ersten Mal eine Präferenz von AtDGD1 für eukaryotisches 18:x/18:x-MGDG gezeigt werden. Dieser Nachweis erfolgte durch die Etablierung eines Enzymtests mit in E. coli heterolog exprimierten Proteinen. Prokaryotisches MGDG wird nur dann von AtDGD1 als Substrat akzeptiert, solange dessen 16C-Fettsäure gesättigt vorliegt. Im Gegensatz dazu, zeigte AtDGD2 keine ausgeprägte Präferenz für die angebotenen MGDG-Spezies. DGD1 aus Lotus japonicus (LjDGD1), einer Pflanze die ausschließlich über den eukaryotischen Syntheseweg verfügt, zeigte im Vergleich zu AtDGD1 eine verminderte Spezifität für eukaryotisches MGDG. Womöglich ist aufgrund des evolutionären Verlustes des prokaryotischen Weges eine Substratspezifität von LjDGD1 nicht mehr essentiell.
Das AtDGD1-Protein verfügt neben der C-terminalen Glykosyltransferase-Domäne auch über eine etwa 30 kDa große N-terminale Extension (AtNDGD1), die für die Insertion von AtDGD1 in die äußere Hüllmembran des Chloroplasten notwendig ist. Zu DGD1 homologe Proteine mit einer N-terminalen Extension kommen ubiquitär innerhalb der Streptophyta sowie in einzelnen Vertretern der Algen vor. Bioinformatische Analysen deuten darauf hin, dass AtNDGD1 wahrscheinlich aus mehreren aufeinander folgenden a-Helices und Coiled-Coil-Domänen aufgebaut ist. Durch Lipidbindungsstudien konnte gezeigt werden, dass AtNDGD1 Membranen, die Phosphatidsäure beinhalten, miteinander fusioniert. In planta könnte die gezeigte Affinität von AtNDGD1 für Phosphatidsäure in der Ausbildung von Fusionen bzw. Hemifusionen zwischen den beiden Chloroplastenhüllmembranen resultieren, wodurch der Transfer der beiden Galaktolipide zwischen diesen Membranen vereinfacht wird. Durch die Analytik von AtNDGD1-Überexpressionslinien konnte gezeigt werden, dass eine Akkumulation von AtNDGD1 schädlich für Pflanzen ist. Dies könnte begründet sein durch die innerhalb der Lipdbindungsstudien gezeigte Fähigkeit dieses Peptides zur Membranmanipulation.
In der dgd1-1-Mutante sind nur noch Restmengen von DGDG vorhanden (= 1 mol%). Unter Phosphatmangel akkumuliert DGDG in dgd1-1, katalysiert durch die Aktivität von DGD2. dgd2-1 zeigt unter optimaler Nährstoffversorgung keine Veränderung des Galaktolipidgehalts. Unter Phosphatmangel akkumuliert in dgd2-1 jedoch weniger DGDG. Innerhalb dieser Arbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass unter Phosphatmangel die Mutation der DGDG-Synthasen ebenfalls zu einer verstärkten Akkumulation von hauptsächlich eukaryotischem Triacylglycerol (TAG) führte. Dabei unterschied sich die Zusammensetzung des TAGs der DGDG-Synthase-Mutanten vom Wildtyp als auch untereinander.
In Arabidopsis setzt sich MGDG, das Substrat der DGDG-Synthasen, aus etwa 70 mol% prokaryotischen (18:3/16:3-MGDG) und 30 mol% eukaryotischen Spezies (18:3/18:3-MGDG) zusammen. Das durch DGD1 synthetisierte DGDG dieser Pflanze leitet sich hingegen in erster Linie von eukaryotischen Vorstufen (18:3/18:3) und einem geringeren Anteil prokaryotischer Vorstufen (18:3/16:0) ab. Die Aktivierung von DGD2 resultiert ausschließlich in der Akkumulation von eukaryotischem DGDG. Wodurch die Unterschiede bezüglich der Fettsäurezusammensetzung zwischen MGDG und DGDG in Arabidopsis hervorgerufen werden, war bis jetzt unklar. Mittels dieser Arbeit konnte zum ersten Mal eine Präferenz von AtDGD1 für eukaryotisches 18:x/18:x-MGDG gezeigt werden. Dieser Nachweis erfolgte durch die Etablierung eines Enzymtests mit in E. coli heterolog exprimierten Proteinen. Prokaryotisches MGDG wird nur dann von AtDGD1 als Substrat akzeptiert, solange dessen 16C-Fettsäure gesättigt vorliegt. Im Gegensatz dazu, zeigte AtDGD2 keine ausgeprägte Präferenz für die angebotenen MGDG-Spezies. DGD1 aus Lotus japonicus (LjDGD1), einer Pflanze die ausschließlich über den eukaryotischen Syntheseweg verfügt, zeigte im Vergleich zu AtDGD1 eine verminderte Spezifität für eukaryotisches MGDG. Womöglich ist aufgrund des evolutionären Verlustes des prokaryotischen Weges eine Substratspezifität von LjDGD1 nicht mehr essentiell.
Das AtDGD1-Protein verfügt neben der C-terminalen Glykosyltransferase-Domäne auch über eine etwa 30 kDa große N-terminale Extension (AtNDGD1), die für die Insertion von AtDGD1 in die äußere Hüllmembran des Chloroplasten notwendig ist. Zu DGD1 homologe Proteine mit einer N-terminalen Extension kommen ubiquitär innerhalb der Streptophyta sowie in einzelnen Vertretern der Algen vor. Bioinformatische Analysen deuten darauf hin, dass AtNDGD1 wahrscheinlich aus mehreren aufeinander folgenden a-Helices und Coiled-Coil-Domänen aufgebaut ist. Durch Lipidbindungsstudien konnte gezeigt werden, dass AtNDGD1 Membranen, die Phosphatidsäure beinhalten, miteinander fusioniert. In planta könnte die gezeigte Affinität von AtNDGD1 für Phosphatidsäure in der Ausbildung von Fusionen bzw. Hemifusionen zwischen den beiden Chloroplastenhüllmembranen resultieren, wodurch der Transfer der beiden Galaktolipide zwischen diesen Membranen vereinfacht wird. Durch die Analytik von AtNDGD1-Überexpressionslinien konnte gezeigt werden, dass eine Akkumulation von AtNDGD1 schädlich für Pflanzen ist. Dies könnte begründet sein durch die innerhalb der Lipdbindungsstudien gezeigte Fähigkeit dieses Peptides zur Membranmanipulation.
Subjects
Glykolipid, Chloroplast, Lipidtransfer-Proteine, Substratspezifität, Glykosyltransferasen
Classification (DDC)
570 Biowissenschaften, Biologie 580 Pflanzen (Botanik)Kalisch, Barbara: Die Rolle von DGD1 in dem eukaryotischen und prokaryotischen Galaktolipid-Metabolismus von Arabidopsis thaliana. - Bonn, 2016. - Dissertation, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn.
Online-Ausgabe in bonndoc: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5n-45814
Online-Ausgabe in bonndoc: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5n-45814
@phdthesis{handle:20.500.11811/6946,
urn: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5n-45814,
author = {{Barbara Kalisch}},
title = {Die Rolle von DGD1 in dem eukaryotischen und prokaryotischen Galaktolipid-Metabolismus von Arabidopsis thaliana},
school = {Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn},
year = 2016,
month = dec,
note = {Die Galaktolipide Monogalaktosyldiacylglycerin (MGDG) und Digalaktosyldiacylglycerin (DGDG) sind die häufigsten Membranlipide der Chloroplasten. Die Biosynthese von DGDG erfolgt hauptsächlich durch die Glykosyltransferase DGD1. Neben seiner Funktion als Baustein plastidärer Membranen, sowie Bestandteil einiger photosynthetischer Komplexe, dient DGDG unter Phosphatmangel ebenfalls als Ersatz für die Phosphoglycerolipide. Unter Phosphatmangel erfolgt die Aktivierung von DGD2, einer weiteren DGDG-Synthase. In Arabidopsis gibt es zwei Biosynthesewege für die Produktion von Diacylglycerol (DAG), dem Vorläufer der Galaktolipide. In dem ersten Biosyntheseweg erfolgt die de novo-Synthese des DAGs in dem Chloroplasten. So genannte prokaryotische Lipide, die von diesem DAG abgeleitet werden, sind charakterisiert durch eine 16C-Fettsäure an der sn2-Position. Der zweite Weg involviert die Degradation extraplastidärer Phospholipide durch Phospholipasen und den Reimport der Vorläufer in den Chloroplasten. Lipide, die von diesen Vorläufern abgeleitet sind, werden auch eukaryotische Lipide genannt und sind durch eine 18C-Fettsäure an der sn2-Position charakterisiert.
In der dgd1-1-Mutante sind nur noch Restmengen von DGDG vorhanden (= 1 mol%). Unter Phosphatmangel akkumuliert DGDG in dgd1-1, katalysiert durch die Aktivität von DGD2. dgd2-1 zeigt unter optimaler Nährstoffversorgung keine Veränderung des Galaktolipidgehalts. Unter Phosphatmangel akkumuliert in dgd2-1 jedoch weniger DGDG. Innerhalb dieser Arbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass unter Phosphatmangel die Mutation der DGDG-Synthasen ebenfalls zu einer verstärkten Akkumulation von hauptsächlich eukaryotischem Triacylglycerol (TAG) führte. Dabei unterschied sich die Zusammensetzung des TAGs der DGDG-Synthase-Mutanten vom Wildtyp als auch untereinander.
In Arabidopsis setzt sich MGDG, das Substrat der DGDG-Synthasen, aus etwa 70 mol% prokaryotischen (18:3/16:3-MGDG) und 30 mol% eukaryotischen Spezies (18:3/18:3-MGDG) zusammen. Das durch DGD1 synthetisierte DGDG dieser Pflanze leitet sich hingegen in erster Linie von eukaryotischen Vorstufen (18:3/18:3) und einem geringeren Anteil prokaryotischer Vorstufen (18:3/16:0) ab. Die Aktivierung von DGD2 resultiert ausschließlich in der Akkumulation von eukaryotischem DGDG. Wodurch die Unterschiede bezüglich der Fettsäurezusammensetzung zwischen MGDG und DGDG in Arabidopsis hervorgerufen werden, war bis jetzt unklar. Mittels dieser Arbeit konnte zum ersten Mal eine Präferenz von AtDGD1 für eukaryotisches 18:x/18:x-MGDG gezeigt werden. Dieser Nachweis erfolgte durch die Etablierung eines Enzymtests mit in E. coli heterolog exprimierten Proteinen. Prokaryotisches MGDG wird nur dann von AtDGD1 als Substrat akzeptiert, solange dessen 16C-Fettsäure gesättigt vorliegt. Im Gegensatz dazu, zeigte AtDGD2 keine ausgeprägte Präferenz für die angebotenen MGDG-Spezies. DGD1 aus Lotus japonicus (LjDGD1), einer Pflanze die ausschließlich über den eukaryotischen Syntheseweg verfügt, zeigte im Vergleich zu AtDGD1 eine verminderte Spezifität für eukaryotisches MGDG. Womöglich ist aufgrund des evolutionären Verlustes des prokaryotischen Weges eine Substratspezifität von LjDGD1 nicht mehr essentiell.
Das AtDGD1-Protein verfügt neben der C-terminalen Glykosyltransferase-Domäne auch über eine etwa 30 kDa große N-terminale Extension (AtNDGD1), die für die Insertion von AtDGD1 in die äußere Hüllmembran des Chloroplasten notwendig ist. Zu DGD1 homologe Proteine mit einer N-terminalen Extension kommen ubiquitär innerhalb der Streptophyta sowie in einzelnen Vertretern der Algen vor. Bioinformatische Analysen deuten darauf hin, dass AtNDGD1 wahrscheinlich aus mehreren aufeinander folgenden a-Helices und Coiled-Coil-Domänen aufgebaut ist. Durch Lipidbindungsstudien konnte gezeigt werden, dass AtNDGD1 Membranen, die Phosphatidsäure beinhalten, miteinander fusioniert. In planta könnte die gezeigte Affinität von AtNDGD1 für Phosphatidsäure in der Ausbildung von Fusionen bzw. Hemifusionen zwischen den beiden Chloroplastenhüllmembranen resultieren, wodurch der Transfer der beiden Galaktolipide zwischen diesen Membranen vereinfacht wird. Durch die Analytik von AtNDGD1-Überexpressionslinien konnte gezeigt werden, dass eine Akkumulation von AtNDGD1 schädlich für Pflanzen ist. Dies könnte begründet sein durch die innerhalb der Lipdbindungsstudien gezeigte Fähigkeit dieses Peptides zur Membranmanipulation.},
url = {https://hdl.handle.net/20.500.11811/6946}
}
urn: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hbz:5n-45814,
author = {{Barbara Kalisch}},
title = {Die Rolle von DGD1 in dem eukaryotischen und prokaryotischen Galaktolipid-Metabolismus von Arabidopsis thaliana},
school = {Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn},
year = 2016,
month = dec,
note = {Die Galaktolipide Monogalaktosyldiacylglycerin (MGDG) und Digalaktosyldiacylglycerin (DGDG) sind die häufigsten Membranlipide der Chloroplasten. Die Biosynthese von DGDG erfolgt hauptsächlich durch die Glykosyltransferase DGD1. Neben seiner Funktion als Baustein plastidärer Membranen, sowie Bestandteil einiger photosynthetischer Komplexe, dient DGDG unter Phosphatmangel ebenfalls als Ersatz für die Phosphoglycerolipide. Unter Phosphatmangel erfolgt die Aktivierung von DGD2, einer weiteren DGDG-Synthase. In Arabidopsis gibt es zwei Biosynthesewege für die Produktion von Diacylglycerol (DAG), dem Vorläufer der Galaktolipide. In dem ersten Biosyntheseweg erfolgt die de novo-Synthese des DAGs in dem Chloroplasten. So genannte prokaryotische Lipide, die von diesem DAG abgeleitet werden, sind charakterisiert durch eine 16C-Fettsäure an der sn2-Position. Der zweite Weg involviert die Degradation extraplastidärer Phospholipide durch Phospholipasen und den Reimport der Vorläufer in den Chloroplasten. Lipide, die von diesen Vorläufern abgeleitet sind, werden auch eukaryotische Lipide genannt und sind durch eine 18C-Fettsäure an der sn2-Position charakterisiert.
In der dgd1-1-Mutante sind nur noch Restmengen von DGDG vorhanden (= 1 mol%). Unter Phosphatmangel akkumuliert DGDG in dgd1-1, katalysiert durch die Aktivität von DGD2. dgd2-1 zeigt unter optimaler Nährstoffversorgung keine Veränderung des Galaktolipidgehalts. Unter Phosphatmangel akkumuliert in dgd2-1 jedoch weniger DGDG. Innerhalb dieser Arbeit konnte zum ersten Mal gezeigt werden, dass unter Phosphatmangel die Mutation der DGDG-Synthasen ebenfalls zu einer verstärkten Akkumulation von hauptsächlich eukaryotischem Triacylglycerol (TAG) führte. Dabei unterschied sich die Zusammensetzung des TAGs der DGDG-Synthase-Mutanten vom Wildtyp als auch untereinander.
In Arabidopsis setzt sich MGDG, das Substrat der DGDG-Synthasen, aus etwa 70 mol% prokaryotischen (18:3/16:3-MGDG) und 30 mol% eukaryotischen Spezies (18:3/18:3-MGDG) zusammen. Das durch DGD1 synthetisierte DGDG dieser Pflanze leitet sich hingegen in erster Linie von eukaryotischen Vorstufen (18:3/18:3) und einem geringeren Anteil prokaryotischer Vorstufen (18:3/16:0) ab. Die Aktivierung von DGD2 resultiert ausschließlich in der Akkumulation von eukaryotischem DGDG. Wodurch die Unterschiede bezüglich der Fettsäurezusammensetzung zwischen MGDG und DGDG in Arabidopsis hervorgerufen werden, war bis jetzt unklar. Mittels dieser Arbeit konnte zum ersten Mal eine Präferenz von AtDGD1 für eukaryotisches 18:x/18:x-MGDG gezeigt werden. Dieser Nachweis erfolgte durch die Etablierung eines Enzymtests mit in E. coli heterolog exprimierten Proteinen. Prokaryotisches MGDG wird nur dann von AtDGD1 als Substrat akzeptiert, solange dessen 16C-Fettsäure gesättigt vorliegt. Im Gegensatz dazu, zeigte AtDGD2 keine ausgeprägte Präferenz für die angebotenen MGDG-Spezies. DGD1 aus Lotus japonicus (LjDGD1), einer Pflanze die ausschließlich über den eukaryotischen Syntheseweg verfügt, zeigte im Vergleich zu AtDGD1 eine verminderte Spezifität für eukaryotisches MGDG. Womöglich ist aufgrund des evolutionären Verlustes des prokaryotischen Weges eine Substratspezifität von LjDGD1 nicht mehr essentiell.
Das AtDGD1-Protein verfügt neben der C-terminalen Glykosyltransferase-Domäne auch über eine etwa 30 kDa große N-terminale Extension (AtNDGD1), die für die Insertion von AtDGD1 in die äußere Hüllmembran des Chloroplasten notwendig ist. Zu DGD1 homologe Proteine mit einer N-terminalen Extension kommen ubiquitär innerhalb der Streptophyta sowie in einzelnen Vertretern der Algen vor. Bioinformatische Analysen deuten darauf hin, dass AtNDGD1 wahrscheinlich aus mehreren aufeinander folgenden a-Helices und Coiled-Coil-Domänen aufgebaut ist. Durch Lipidbindungsstudien konnte gezeigt werden, dass AtNDGD1 Membranen, die Phosphatidsäure beinhalten, miteinander fusioniert. In planta könnte die gezeigte Affinität von AtNDGD1 für Phosphatidsäure in der Ausbildung von Fusionen bzw. Hemifusionen zwischen den beiden Chloroplastenhüllmembranen resultieren, wodurch der Transfer der beiden Galaktolipide zwischen diesen Membranen vereinfacht wird. Durch die Analytik von AtNDGD1-Überexpressionslinien konnte gezeigt werden, dass eine Akkumulation von AtNDGD1 schädlich für Pflanzen ist. Dies könnte begründet sein durch die innerhalb der Lipdbindungsstudien gezeigte Fähigkeit dieses Peptides zur Membranmanipulation.},
url = {https://hdl.handle.net/20.500.11811/6946}
}
The following license files are associated with this item:
