Biochemical characterization of an intermediate membrane subfraction in cyanobacteria involved in an assembly network for photosystem II

Rengstl, Birgit (2012): Biochemical characterization of an intermediate membrane subfraction in cyanobacteria involved in an assembly network for photosystem II. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

Oxygenic photosynthesis converts light energy into chemical energy and is responsible for generating most of our atmosphere’s oxygen and biomass on earth. Several multimeric protein complexes are involved in the underlying photosynthetic electron transfer chain with photosystem II (PSII) representing the initial complex mediating the extraction of electrons from water molecules, thus generating molecular oxygen as a by-product. During recent years, the structural details and components of the PSII complex, including its inorganic and organic cofactors, have been elucidated in great detail. However, little is known about the assembly pathway of this at least 20 protein subunits containing machinery. Previous work indicated that PSII assembly occurs in a step-wise fashion and requires a number of facilitating factors, which interact transiently with nascent PSII complexes. Earlier studies of one of those assembly factors, the cyanobacterial PratA protein, suggested that PSII biogenesis does not only underlie a temporal order but is also organized at the spatial level, as PratA was shown to mark a special intermediate membrane subfraction (PDMs), hypothesized to represent regions for initial steps of PSII biogenesis. The presented work focused on a more detailed characterization of PDMs, clearly supporting their significance not only with regard to early protein assembly, but also concerning pigment synthesis and integration into the PSII precomplexes. The PDMs could further be allocated to special membrane regions, named biogenesis centers, at sites where thylakoid membranes converge to the plasma membrane, thus demonstrating the spatial organization of PSII assembly at the cellular level. Moreover, a novel function of PratA in preloading of PSII with Mn2+ ions, necessary for construction of the water-splitting complex, was discovered. Concomitantly with progression of the assembly, the nascent PSII complexes are transported from the PDMs to the thylakoid membrane system, where Sll0933 – a novel PSII assembly factor identified in this thesis – mediates the integration of the PSII inner antenna proteins followed by completion of the assembly process. Additionally, it could be shown that many of the so far identified facilitating factors interact with each other and, thus, form a complex network for PSII assembly. Especially the interaction between the two assembly factors YCF48 and Sll0933 was characterized in more detail, revealing a successive mode of action with YCF48 operating upstream of Sll0933. Taken together, the presented results enable the development of an extended and elaborated model of PSII assembly, which is a concerted process connecting protein and cofactor synthesis/integration in a spatiotemporal manner, and thus contribute to a more profound understanding of photosynthesis itself.

Abstract

Oxygene Photosynthese ermöglicht die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie. Aufgrund des bei den zugrunde liegenden Reaktionen gebildeten molekularen Sauerstoffs (O2) stellt sie die Basis für den in unserer Atmosphäre angesammelten Sauerstoff und somit die Grundlage für höheres Leben auf der Erde dar. Die Entstehung von O2 wird von Photosystem II (PSII) katalysiert, dem ersten Komplex in einer Reihe von aus verschiedenen Bestandteilen aufgebauten Proteinkomplexen, welche den Transport von Elektronen zur Energiegewinnung vermitteln. Während die Zusammensetzung von PSII aus mindestens 20 verschiedenen Protein-Untereinheiten und diversen Co-Faktoren in den letzten Jahren weitgehend aufgeklärt wurde, ist das Wissen über den zugrunde liegenden Assemblierungsweg verhältnismäßig beschränkt. Bislang konnte gezeigt werden, dass dieser Ablauf schrittweise erfolgt und eine Reihe von Assemblierungsfaktoren erfordert. Dass die Biogenese von PSII neben ihrer zeitlichen Abfolge auch auf räumlicher Ebene organisiert ist, lässt sich aus früheren Studien eines dieser Assemblierungsfaktoren, des cyanobakteriellen PratA-Proteins schließen, welches eine spezielle Membranfraktion (PDMs) kennzeichnet, die offenbar an den frühen Schritten der PSII-Biogenese beteiligt ist. Die hier gezeigten Ergebnisse einer detaillierteren Charakterisierung der PDMs unterstreichen ihre Bedeutung nicht nur im Hinblick auf die frühen Schritte der Assemblierung der Proteinuntereinheiten, sondern auch auf die Pigmentsynthese und deren Integration in PSII-Präkomplexe. Strukturell konnten PDMs sogenannten Biogenesezentren zugeordnet werden, welche sich an Stellen, an denen sich die Thylakoidmembranen der Plasmamembran annähern, befinden. Somit wurde die Frage der subzellulären Lokalisierung der PSII-Assemblierung beantwortet. Außerdem konnte eine Beteiligung von PratA an der Beladung von PSII mit Mn2+-Ionen zum Aufbau des Wasserspaltungsapparates gezeigt werden. Weitere Daten weisen darauf hin, dass mit zunehmender Assemblierung ein Transport der entstehenden PSII-Komplexe von den PDMs in Richtung der Thylakoidmembranen erfolgt. Unmittelbar nach Erreichen der Thylakoide scheint dann Sll0933 – ein neuer, in dieser Arbeit identifizierter PSII-Assemblierungsfaktor – die Integration der inneren PSII-Antennenproteine zu vermitteln. Der Abschluss der Assemblierung von PSII erfolgt ebenfalls im Thylakoidmembransystem. Es wurden außerdem Hinweise dafür erhalten, dass sich viele der bisher identifizierten Assemblierungsfaktoren gegenseitig beeinflussen und somit ein komplexes Netzwerk bilden. Insbesondere die Interaktion zwischen den beiden Assemblierungsfaktoren YCF48 und Sll0933 wurde detaillierter untersucht und führte zur Schlussfolgerung, dass YCF48 an früheren Schritten als Sll0933 an der PSII-Assemblierung beteiligt ist. Alles in allem handelt es sich bei der Assemblierung von PSII also um einen Prozess mit einer auf räumlicher und zeitlicher Ebene organisierten Verknüpfung von Integration der Protein-Untereinheiten und Synthese/Insertion der Co-Faktoren. Die dargestellten Ergebnisse ermöglichen eine deutliche Ausweitung des bisher geltenden Modells der PSII-Assemblierung und tragen somit zu einem besseren Gesamtverständnis des Prozesses der oxygenen Photosynthese an sich bei.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Fakultät für Biologie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 12. Dezember 2012
• 1. Bericht­erstatter:in: Nickelsen, Jörg