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Characterization of factors for the formation and function of thylakoid membrane biogenesis centers in Synechocystis sp. PCC 6803
Characterization of factors for the formation and function of thylakoid membrane biogenesis centers in Synechocystis sp. PCC 6803
In organisms performing oxygenic photosynthesis, the thylakoid membrane harbors all pigment-protein complexes of the light-dependent photosynthetic reactions, i.e. photosystems I (PSI) and II (PSII), cytochrome b6f (Cyt b6f) as well as the ATP synthase. In the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 (hereafter Synechocystis), thylakoids are organized in membrane sheets following the cellular periphery. Occasionally, they converge toward the plasma membrane to form so-called biogenesis centers. The PratA-defined membrane (PDM) resides in the biogenesis center and has been described as the site of early PSII assembly. The de novo assembly of PSII is a process highly ordered in space and time, which requires the stepwise attachment of several precomplexes facilitated by a number of specific assembly factors. However, the exact function and importance of biogenesis centers, in particular concerning PSII assembly, remained a matter of debate. The absence of CurT, which represents the cyanobacterial homolog of the grana-shaping CURVATURE THYLAKOID1 protein family from Arabidopsis thaliana, resulted in massive alterations of the thylakoid membrane ultrastructure. Accordingly, the thylakoid membrane in curT- ran in circular structures without converging to the plasma membrane, thereby offered the possibility to analyze the consequences of the lack of biogenesis centers for the first time. Hence, curT- displayed a severe increase in doubling time and a decrease in photosynthetic activity. The absence of biogenesis centers gave rise to a reduction in PSII accumulation, assembly and repair whereas PSI and Cyt b6f were not affected. In the wild-type, CurT was distributed all over the thylakoids, locally accumulating in biogenesis centers. Moreover, CurT formed high-molecular-weight complexes in PDMs and thylakoids, differing in size and isoform composition. Furthermore, a massive relocalization of CurT to the plasma membrane occured during osmotic stress and interestingly, the absence of CurT resulted in an increased sensitivity to osmotic stress in curT-. Since curT- was able to accumulate osmotic stress-related compatible solutes in wild-type-like amounts and dynamics, an independent function of CurT via membrane stabilization in osmotic stress tolerance is proposed. Thus, the establishment of thylakoid membrane architecture and the formation of biogenesis centers depend on CurT, which enhances photosynthetic performance and viability of Synechocystis. The protein Slr0151 has previously been assigned as a factor contributing to PSII repair. Here, evidence of an additional involvement of Slr0151 in de novo assembly of PSII is provided. In addition, a partial localization of PSII repair to biogenesis centers is discussed. In conclusion, the data presented in this thesis significantly enhances the current knowledge on biogenesis center formation and their PSII-specific function in Synechocystis., In Organismen, die oxygene Photosynthese betreiben, sind alle Pigment-Protein-Komplexe der Lichtreaktion – die Photosysteme I (PSI) und II (PSII), Cytochrom b6f (Cyt b6f) sowie die ATP-Synthase – in der Thylakoidmembran lokalisiert. Eine Eigenschaft des Cyanobakteriums Synechocystis sp. PCC 6803 (hiernach Synechocystis) ist, dass die Thylakoide parallel zur Zellhülle in übereinanderliegenden Schichten angeordnet sind. Die Thylakoidmembranen konvergieren in gewissen Abständen zur Plasmamembran und bilden an jenen Annäherungspunkten sogenannte Biogenesezentren. Ein Bestandteil der Biogenesezentren ist die PratA-definierte Membran (PDM), der Ort früher Schritte in der PSII-Assemblierung. Die de novo Assemblierung von PSII ist streng geordnet hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen Abfolge und erfordert die schrittweise Anlagerung mehrerer Vorkomplexe, was durch eine Vielzahl an spezifischen Assemblierungsfaktoren ermöglicht wird. Die genaue Funktion sowie die Bedeutung der Biogenesezentren insbesondere für die PSII-Assemblierung sind jedoch noch immer Gegenstand von Diskussionen. Die Abwesenheit von CurT, das das cyanobakterielle Homolog der granaformenden CURVATURE THYLAKOID1 Proteinfamilie aus Arabidopsis thaliana darstellt, resultierte in schwerwiegenden Veränderungen der Ultrastruktur der Thylakoidmembran. In der curT--Mutante bildete die Thylakoidmembran zirkuläre Strukturen, die nicht in Richtung Plasmamembran konvergierten und somit keine Biogenesezentren aufwiesen. Diese Entdeckung eröffnete erstmalig die Gelegenheit zu untersuchen, wie sich die Abwesenheit von Biogenesezentren auswirkt. Die curT--Mutante wies geringeres Wachstum sowie einen Abfall der Photosyntheseaktivität auf. Im Detail führte die Abwesenheit der Biogenesezentren zu einer Reduktion der Akkumulation, Assemblierungseffizienz sowie Reparatur von PSII, wohingegen Cyt b6f und PSI nicht beeinflusst wurden. Im Wildtyp war CurT über die gesamte Thylakoidmembran verteilt und akkumulierte lokal an Biogenesezentren. Des Weiteren bildete CurT hochmolekulare Komplexe in PDMs und Thylakoiden, die sich in ihrer Größe sowie Isoformkomposition unterschieden. Darüber hinaus wurde unter osmotischem Stress eine umfangreiche Relokalisierung von CurT in Richtung der Plasmamembran beobachtet. Im Gegensatz zum Wildtyp war curT- anfälliger gegenüber osmotischem Stress. Sogenannte Kompatible Solute stellen in Cyanobakterien die wichtigste Antwort auf osmotischen Stress dar und konnten in curT- in gleichem Maße und gleicher Dynamik wie im Wildtyp akkumulieren. Daher wurde angenommen, dass eine CurT-vermittelte Stressantwort unabhängig von Kompatiblen Soluten sondern per Membranstabilisierung existiert. Zusammenfassend führt die Gegenwart von CurT zur Steigerung der Photosyntheseeffizienz sowie der Lebensfähigkeit von Synechocystis, da es sowohl die gesamte Thylakoidmembran strukturiert sowie die Bildung von Biogenesezentren bedingt. Dem Protein Slr0151 wurde bislang eine Funktion in der Reparatur von PSII zugeschrieben. Dass Slr0151 darüber hinaus eine Rolle in der de novo Assemblierung von PSII spielt, wird in dieser Arbeit dokumentiert. Weiterhin wird eine partielle Lokalisierung der PSII-Reparatur in Biogenesezentren diskutiert. In ihrer Gesamtheit tragen die in dieser Arbeit dargestellten Daten maßgeblich zu einem besseren Verständnis der Bildung und Funktion von Biogenesezentren in Synechocystis bei.
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Heinz, Steffen
2016
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Heinz, Steffen (2016): Characterization of factors for the formation and function of thylakoid membrane biogenesis centers in Synechocystis sp. PCC 6803. Dissertation, LMU München: Faculty of Biology
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Abstract

In organisms performing oxygenic photosynthesis, the thylakoid membrane harbors all pigment-protein complexes of the light-dependent photosynthetic reactions, i.e. photosystems I (PSI) and II (PSII), cytochrome b6f (Cyt b6f) as well as the ATP synthase. In the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 (hereafter Synechocystis), thylakoids are organized in membrane sheets following the cellular periphery. Occasionally, they converge toward the plasma membrane to form so-called biogenesis centers. The PratA-defined membrane (PDM) resides in the biogenesis center and has been described as the site of early PSII assembly. The de novo assembly of PSII is a process highly ordered in space and time, which requires the stepwise attachment of several precomplexes facilitated by a number of specific assembly factors. However, the exact function and importance of biogenesis centers, in particular concerning PSII assembly, remained a matter of debate. The absence of CurT, which represents the cyanobacterial homolog of the grana-shaping CURVATURE THYLAKOID1 protein family from Arabidopsis thaliana, resulted in massive alterations of the thylakoid membrane ultrastructure. Accordingly, the thylakoid membrane in curT- ran in circular structures without converging to the plasma membrane, thereby offered the possibility to analyze the consequences of the lack of biogenesis centers for the first time. Hence, curT- displayed a severe increase in doubling time and a decrease in photosynthetic activity. The absence of biogenesis centers gave rise to a reduction in PSII accumulation, assembly and repair whereas PSI and Cyt b6f were not affected. In the wild-type, CurT was distributed all over the thylakoids, locally accumulating in biogenesis centers. Moreover, CurT formed high-molecular-weight complexes in PDMs and thylakoids, differing in size and isoform composition. Furthermore, a massive relocalization of CurT to the plasma membrane occured during osmotic stress and interestingly, the absence of CurT resulted in an increased sensitivity to osmotic stress in curT-. Since curT- was able to accumulate osmotic stress-related compatible solutes in wild-type-like amounts and dynamics, an independent function of CurT via membrane stabilization in osmotic stress tolerance is proposed. Thus, the establishment of thylakoid membrane architecture and the formation of biogenesis centers depend on CurT, which enhances photosynthetic performance and viability of Synechocystis. The protein Slr0151 has previously been assigned as a factor contributing to PSII repair. Here, evidence of an additional involvement of Slr0151 in de novo assembly of PSII is provided. In addition, a partial localization of PSII repair to biogenesis centers is discussed. In conclusion, the data presented in this thesis significantly enhances the current knowledge on biogenesis center formation and their PSII-specific function in Synechocystis.

Abstract

In Organismen, die oxygene Photosynthese betreiben, sind alle Pigment-Protein-Komplexe der Lichtreaktion – die Photosysteme I (PSI) und II (PSII), Cytochrom b6f (Cyt b6f) sowie die ATP-Synthase – in der Thylakoidmembran lokalisiert. Eine Eigenschaft des Cyanobakteriums Synechocystis sp. PCC 6803 (hiernach Synechocystis) ist, dass die Thylakoide parallel zur Zellhülle in übereinanderliegenden Schichten angeordnet sind. Die Thylakoidmembranen konvergieren in gewissen Abständen zur Plasmamembran und bilden an jenen Annäherungspunkten sogenannte Biogenesezentren. Ein Bestandteil der Biogenesezentren ist die PratA-definierte Membran (PDM), der Ort früher Schritte in der PSII-Assemblierung. Die de novo Assemblierung von PSII ist streng geordnet hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen Abfolge und erfordert die schrittweise Anlagerung mehrerer Vorkomplexe, was durch eine Vielzahl an spezifischen Assemblierungsfaktoren ermöglicht wird. Die genaue Funktion sowie die Bedeutung der Biogenesezentren insbesondere für die PSII-Assemblierung sind jedoch noch immer Gegenstand von Diskussionen. Die Abwesenheit von CurT, das das cyanobakterielle Homolog der granaformenden CURVATURE THYLAKOID1 Proteinfamilie aus Arabidopsis thaliana darstellt, resultierte in schwerwiegenden Veränderungen der Ultrastruktur der Thylakoidmembran. In der curT--Mutante bildete die Thylakoidmembran zirkuläre Strukturen, die nicht in Richtung Plasmamembran konvergierten und somit keine Biogenesezentren aufwiesen. Diese Entdeckung eröffnete erstmalig die Gelegenheit zu untersuchen, wie sich die Abwesenheit von Biogenesezentren auswirkt. Die curT--Mutante wies geringeres Wachstum sowie einen Abfall der Photosyntheseaktivität auf. Im Detail führte die Abwesenheit der Biogenesezentren zu einer Reduktion der Akkumulation, Assemblierungseffizienz sowie Reparatur von PSII, wohingegen Cyt b6f und PSI nicht beeinflusst wurden. Im Wildtyp war CurT über die gesamte Thylakoidmembran verteilt und akkumulierte lokal an Biogenesezentren. Des Weiteren bildete CurT hochmolekulare Komplexe in PDMs und Thylakoiden, die sich in ihrer Größe sowie Isoformkomposition unterschieden. Darüber hinaus wurde unter osmotischem Stress eine umfangreiche Relokalisierung von CurT in Richtung der Plasmamembran beobachtet. Im Gegensatz zum Wildtyp war curT- anfälliger gegenüber osmotischem Stress. Sogenannte Kompatible Solute stellen in Cyanobakterien die wichtigste Antwort auf osmotischen Stress dar und konnten in curT- in gleichem Maße und gleicher Dynamik wie im Wildtyp akkumulieren. Daher wurde angenommen, dass eine CurT-vermittelte Stressantwort unabhängig von Kompatiblen Soluten sondern per Membranstabilisierung existiert. Zusammenfassend führt die Gegenwart von CurT zur Steigerung der Photosyntheseeffizienz sowie der Lebensfähigkeit von Synechocystis, da es sowohl die gesamte Thylakoidmembran strukturiert sowie die Bildung von Biogenesezentren bedingt. Dem Protein Slr0151 wurde bislang eine Funktion in der Reparatur von PSII zugeschrieben. Dass Slr0151 darüber hinaus eine Rolle in der de novo Assemblierung von PSII spielt, wird in dieser Arbeit dokumentiert. Weiterhin wird eine partielle Lokalisierung der PSII-Reparatur in Biogenesezentren diskutiert. In ihrer Gesamtheit tragen die in dieser Arbeit dargestellten Daten maßgeblich zu einem besseren Verständnis der Bildung und Funktion von Biogenesezentren in Synechocystis bei.