Toc34, a dimer-forming GTPase at thechloroplast translocon

  • Plastids are complex plant organelles fulfilling essential physiological functions, such as photosynthesis and amino acid metabolism. The majority of proteins required for these functions are encoded in the nuclear genome and synthesized on cytosolic ribosomes as precursors, which are subsequently translocated across the outer and inner membrane of the organelle. Their targeting to the organelle is ensured by a so called transit peptide, which is specifically recognized by GTP-dependent receptors Toc159 and Toc34 at the cytosolic side of outer envelope. They cooperatively regulate the insertion of the precursor protein into the channel protein Toc75, thereby initiating the translocation process. Toc34 is regarded as the primary receptor, while Toc159 probably provides the driving force for the insertion. Precursor transfer is achieved by the physical interaction between both receptors in the GTP loaded state. One translocon unit, also called the Toc core complex, is formed by four molecules Toc34, four molecules Toc75 and one molecule Toc159. In the GDP-loaded state, Toc34 preferably forms homodimers, whose physiological function was investigated in the presented study. It could be shown that the dissociation of GDP and therefore the nucleotide exchange are inhibited by the homodimeric state of Toc34. Dissociation of the homodimer is induced by the recognition of a precursor protein, which renders the binding of GTP and subsequent interaction with Toc159 possible. Thus, the homodimeric conformation could reflect an inactive state of the translocon, preventing GTP consumption in the absence of a precursor protein. Both homodimerization as well as heterodimerization of the receptor are regulated by phosphorylation, which could be demonstrated by in vitro and in vivo approaches using atToc33 from Arabidopsis thaliana as a model system. Since the phosphorylated form of Toc34 cannot be assembled with the Toc core complex, it can be concluded that the interactions between GTPase domains not only regulate the transfer of precursor proteins, but also warrant the integrity of the translocon.
  • Plastiden sind komplexe pflanzliche Organellen, die eine Vielzahl von lebensnotwenigen physiologischen Funktionen, wie Photosynthese oder Aminosäurestoffwechsel, erfüllen. Die Mehrzahl der dafür benötigten Enzyme ist im Kerngenom kodiert und wird an zytosolischen Ribosomen in Form von Vorstufenproteinen synthetisiert, die über die äußere und innere Hüllmembran der Plastiden transportiert werden müssen. Die korrekte Zielsteuerung ist dabei durch eine amino-terminale Extension, das sogenannte Transitpeptid, gewährleistet, welches von GTP-abhängigen Rezeptoren Toc34 und Toc159 auf der zytosolischen Seite der äußeren Hüllmembran erkannt wird. Beide Rezeptoren regulieren kooperativ die Insertion des Vorstufenproteins in die Translokationspore Toc75, wodurch der Translokationsprozess eingeleitet wird. Toc34 wird dabei als der primäre Rezeptor angesehen, wohingegen Toc159 wahrscheinlich die treibende Kraft für die Insertion generiert. Der Transfer des Vorstufenproteins wird durch eine Wechselwirkung der beiden Rezeptoren in GTP-beladenem Zustand ermöglicht. Eine Translokon-Einheit, genannt auch Toc-Kernkomplex, wird von vier bis fünf Molekülen Toc34, vier Molekülen Toc75 und einem Molekül Toc159 gebildet. In GDP beladenem Zustand bildet Toc34 bevorzugt Homodimere, deren mögliche physiologische Funktion im Rahmen der vorliegenden Arbeit untersucht wurde. Es konnte gezeigt werden, dass die Dissoziation von GDP und damit der Nukleotidaustausch im homodimeren Zustand von Toc34 verhindert ist. Erst nach Erkennung des Vorstufenproteins dissoziiert der Homodimer, wodurch die Bindung von GTP und die nachfolgende Interaktion mit Toc159 möglich werden. Die homodimere Konformation könnte daher einen inaktiven Zustand des Translokons darstellen, der einen unnötigen Verbrauch von GTP in Abwesenheit eines zu translozierenden Vorstufenproteins verhindern würde. Am Beispiel von atToc33 aus Arabidopsis thaliana konnte durch in vitro und in vivo Analysen gezeigt werden, dass sowohl Homodimerisierung von Toc34 als auch seine Heterodimerisierung mit Toc159 durch Phosphorylierung inhibiert werden können. Die Beobachtung, dass der phosphorylierte Rezeptor nicht mit dem Toc-Kernkomplex assembliert werden kann, lässt den Schluss zu, dass die Dimerisierung der GTPase-Domänen nicht nur für den Transfer der Vorstufenproteine, sondern auch die Integrität des Toc-Komplexes essenziell ist.

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Metadaten
Author:Igor-Mislav OrebORCiDGND
URN:urn:nbn:de:hebis:30-66392
Referee:Enrico SchleiffORCiDGND, Karl-Dieter Entian
Advisor:Enrico Schleiff
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2009/12/28
Year of first Publication:2008
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2009/03/06
Release Date:2009/12/28
Page Number:75
Note:
Diese Dissertation steht außerhalb der Universitätsbibliothek leider (aus urheberrechtlichen Gründen) nicht im Volltext zur Verfügung. Die CD-ROM kann (auch über Fernleihe) bei der UB Frankfurt am Main ausgeliehen werden.
HeBIS-PPN:419588612
Institutes:Biowissenschaften / Biowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Sammlungen:Sammlung Biologie / Weitere biologische Literatur (eingeschränkter Zugriff)
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