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Die Hitzestressantwort stellt einen universellen Schutzmechanismus aller lebenden Organismen dar. Infolge einer Temperaturerhöhung werden Hitzestresstranskriptionsfaktoren (Hsf) aktiviert und bewirken eine gesteigerte Expression von Hitzestressproteinen (Hsp). Als molekulare Chaperone schützen diese die Zelle vor durch Hitze verursachten Schäden. In höheren Pflanzen ist dieses Phänomen sowohl auf der Ebene der Hsf als auch der Hsp besonders komplex. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Funktion von Komponenten des Chaperonsystems in der pflanzlichen Thermotoleranz. Zur Untersuchung der Thermotoleranz wurde ein transientes Expressionsystem mit Mesophyllprotoplasten aus steril angezogenen Tomatenpflanzen (Lycopersicon esculentum) zweier Linien (WT und CS) verwendet. CS-Pflanzen zeigen Cosuppression von HsfA1 und zeichnen sich durch eine Integration zweier direkt aufeinander folgender Transgenkassetten in invertierter Orientierung aus. Die fehlende Expression von HsfA1 in CS-Pflanzen ist die Folge eines Prozesses, der als RNA-interference (RNAi) bezeichnet wird. In unserem transienten Expressionssystem wurden Mesophyllprotoplasten mit einem Expressionsplasmid transformiert, das für Luciferase aus Photinus pyralis als thermosensitivem, leicht nachweisbarem Reporterprotein kodiert. Mit Hilfe dieses Testsystems konnten wir den Schutz der Luciferase gegen eine thermische Denaturierung bei 41°C (30 min) und die nachfolgende Renaturierung für 120 min bei 25°C in Abhängigkeit von endogenen und transient exprimierten Hsp und Hsf beobachten. Mit Hilfe der RNAi-Technologie und unter Verwendung von genspezifischen inverted repeat-Konstrukten konnten wir weiterhin die Bildung einzelner Komponenten des endogenen Chaperonsystems verhindern und damit ihre Funktion untersuchen. Es zeigte sich, dass in Protoplasten aus CS-Pflanzen praktisch alle hitzestressinduzierten Proteine fehlten und diese nicht in der Lage waren, Thermotoleranz auszuprägen, wie unter Verwendung des Reporterproteins Luciferase nachgewiesen werden konnte. Weiterhin fand keine Bildung cytoplasmatischer Multichaperonkomplexe, der sogenannten Hitzestressgranula (HSG), statt. Dieser Defekt in der Ausprägung von Thermotoleranz konnte durch Expression von HsfA2, HsfA3 und HsfA4b repariert werden. Die Überexpression dieser Hsf führte gleichermaßen zu (1) einer Expression von Chaperonen, (2) Thermoprotektion des Reporterenzyms Photinus pyralis-Luciferase und (3) Bildung von HSG-Komplexen. In weiteren Analysen lag unser Augenmerk insbesondere auf Vertretern der sHsp, sowie der Hsp70- und Hsp101-Chaperonfamilien. Hierbei erwies sich, dass vor allem Klasse CI-sHsp und Vertreter der Hsp70-Famile beim Schutz der Luciferase gegen Denaturierung während eines Hitzstresses eine Rolle spielen, während hauptsächlich Hsp101 und Vertreter der Hsp70-Familie in der darauf folgenden Erholungsphase von Bedeutung sind. Die Untersuchung der Interaktionen von drei Klassen cytoplasmatischer sHsp und ihrer intrazellulären Verteilung im Rahmen meiner Arbeit zeigte, dass jeder dieser Klassen eine unterschiedliche Funktion im Netzwerk cytoplasmatischer sHsp zukommt. Unter Verwendung nativer Gelelektrophorese und indirekter Immunfluoreszenz konnte nachgewiesen werden, dass sHsp der Klassen CI, CII und CIII in der Lage sind, auf der Ebene oligomerer Komplexe zu interagieren und ihre intrazelluläre Lokalisation wechselseitig zu beeinflussen. Proteine der Klasse CII zeigten eine starke Tendenz zur Bildung von Aggregaten, in die Klasse CIII-sHsp rekrutiert wurden. Im Unterschied dazu verfügten Klasse CI-Proteine über die Fähigkeit, diese Aggregate aufzulösen. Die detaillierte Untersuchung von fünf Isoformen der Klasse CI und zwei Isoformen der Klasse CII aus Lycopersicon esculentum ergab, dass diese oligomere Komplexe einer unterschiedlichen Anzahl von Untereinheiten bilden. Nach Coexpression waren Proteine beider Klassen in heterooligomeren Komplexe zu finden. Allerdings deuteten sich bei der Analyse der Fähigkeit einzelner Isoformen der Klasse CI, Heterooligomere mit Klasse CII-Proteinen zu bilden, Unterschiede an. sHsp kommt weiterhin eine Funktion in der Kontrolle der Aktivität von HsfA2 zu. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ich zeigen, dass sHsps der Klassen CI und CII völlig unterschiedliche Rollen in der Regulation der intrazellulären Verteilung von HsfA2 spielen. Nach Überexpression in Mesophyllprotoplasten bildete LpHsp17.4-CII, nicht aber das nahe verwandte LpHsp17.3-CII mit HsfA2 große, cytoplasmatische Aggregate. Hsp17-CI dagegen verhinderte die Coaggregation von Hsp17.4-CII mit HsfA2.
Establishing a yeast-based screening system for discovery of human GLUT5 inhibitors and activators
(2017)
Human GLUT5 is a fructose-specific transporter in the glucose transporter family (GLUT, SLC2 gene family). Its substrate-specificity and tissue-specific expression make it a promising target for treatment of diabetes, metabolic syndrome and cancer, but few GLUT5 inhibitors are known. To identify and characterize potential GLUT5 ligands, we developed a whole-cell system based on a yeast strain deficient in fructose uptake, in which GLUT5 transport activity is associated with cell growth in fructose-based media or assayed by fructose uptake in whole cells. The former method is convenient for high-throughput screening of potential GLUT5 inhibitors and activators, while the latter enables detailed kinetic characterization of identified GLUT5 ligands. We show that functional expression of GLUT5 in yeast requires mutations at specific positions of the transporter sequence. The mutated proteins exhibit kinetic properties similar to the wild-type transporter and are inhibited by established GLUT5 inhibitors N-[4-(methylsulfonyl)-2-nitrophenyl]-1,3-benzodioxol-5-amine (MSNBA) and (−)-epicatechin-gallate (ECG). Thus, this system has the potential to greatly accelerate the discovery of compounds that modulate the fructose transport activity of GLUT5.
We generated transgenic tomato plants with altered expression of heat stress transcription factor HsfA1. Plants with 10-fold overexpression of HsfA1 (OE plants) were characterized by a singleHsfA1 transgene cassette, whereas plants harboring a tandem inverted repeat of the cassette showed cosuppression (CS plants) by posttranscriptional silencing of the HsfA1 gene connected with formation of small interfering RNAs. Under normal growth conditions, major developmental parameters were similar for wild-type (WT), OE, and CS plants. However, CS plants and fruits were extremely sensitive to elevated temperatures, because heat stress-induced synthesis of chaperones and Hsfs was strongly reduced or lacking. Despite the complexity of the plant Hsf family with at least 17 members in tomato, HsfA1 has a unique function as master regulator for induced thermotolerance. Using transient reporter assays with mesophyll protoplasts from WT tomato, we demonstrated that plasmid-encoded HsfA1 and HsfA2 were well expressed. However, in CS protoplasts the cosuppression phenomenon was faithfully reproduced. Only transformation with HsfA2 expression plasmid led to normal expression of the transcription factor and reporter gene activation, whereas even high amounts of HsfA1 expression plasmids were silenced. Thermotolerance in CS protoplasts was restored by plasmid-borne HsfA2, resulting in expression of chaperones, thermoprotection of firefly luciferase, and assembly of heat stress granules.
The tremendous body of knowledge about genetics, cell biology, and metabolism of Saccharomyces cerevisiae, as well as its long history and robustness in industrial fermentations, have made this yeast one of the most popular microbial cell factories. Novel genetic tools have enabled the rapid construction of strains producing various platform chemicals, fuels, or pharmaceuticals. The relevance of synthetic biology approaches, such as the construction of fully synthetic genomes and artificial cellular compartments are not only relevant for biotechnological applications but can also lead to new insight into basic principles of life.
Microbial production of chemicals is a sustainable alternative to conventional industrial processes. However, the implementation of exogenous metabolic pathways is hampered by slow diffusion rates, competing pathways, or secretion of intermediates. Pre-existing organelles have been harnessed to overcome these problems, but these approaches suffer from interference with endogenous pathways. We have developed a new concept for the compartmentalization of enzymatic pathways in ER-derived vesicles.
Mitochondria and chloroplasts are of endosymbiotic origin. Their integration into cells entailed the development of protein translocons, partially by recycling bacterial proteins. We demonstrate the evolutionary conservation of the translocon component Tic22 between cyanobacteria and chloroplasts. Tic22 in Anabaena sp. PCC 7120 is essential. The protein is localized in the thylakoids and in the periplasm and can be functionally replaced by a plant orthologue. Tic22 physically interacts with the outer envelope biogenesis factor Omp85 in vitro and in vivo, the latter exemplified by immunoprecipitation after chemical cross-linking. The physical interaction together with the phenotype of a tic22 mutant comparable with the one of the omp85 mutant indicates a concerted function of both proteins. The three-dimensional structure allows the definition of conserved hydrophobic pockets comparable with those of ClpS or BamB. The results presented suggest a function of Tic22 in outer membrane biogenesis.
Background: Although Tic22 is involved in protein import into chloroplasts, the function in cyanobacteria is unknown.
Results: Cyanobacterial Tic22 is required for OM biogenesis, shares structural features with chaperones, and can be substituted by plant Tic22.
Conclusion: Tic22, involved in outer membrane biogenesis, is functionally conserved in cyanobacteria and plants.
Significance: The findings are important for the understanding of periplasmic protein transport.