title: Identifikation neuer Komponenten der dritten Plastidenmembran und Subkompartimentierung des endoplasmatischen Retikulums in Phaeodactylum tricornutum
title: Identification of new components of the third plastidal membrane and subcompartmentalization of the endoplasmic reticulum of Phaeodactylum tricornutum
Creators: name: Gentil, Jonny
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2018
Subjects: Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
hER
komplexe Plastiden
endoplasmatisches Retikulum
diatoms
BAM
Plastidenevolution, Subkompartimentierung
β-barrel Proteine
sekundäre Endosymbiose
cER
endoplasmic reticulum
Phaeodactylum tricornutum, Diatomeen
complex plastids, cER
β-barrel proteins, Phaeodactylum tricornutum

description: Durch einen Prozess, der als
      sekundäre Endosymbiose bezeichnet wird, wurde eine Rotalge
      als Endosymbiont aufgenommen. Dies führte zur Entstehung der
      komplexen Plastiden von Cryptophyten, Haptophyten,
      Heterokontophyten und Apicomplexa. Das Genom dieser
      ehemaligen Rotalge wurde im Laufe der Evolution dramatisch
      reduziert und zum größten Teil in den Wirtskern transferiert.
      Dies führte dazu, dass die meisten plastidären Proteine nun
      im Zellkern des Wirtes kodiert sind und aus dem Cytosol in
      die Plastide importiert werden müssen. Es mussten
      entsprechende Translokationsmechanismen entwickelt werden. Im
      Rahmen dieser Arbeit wurde versucht neue Komponenten der
      dritten Plastidenmembran zu identifizieren, welche auf die
      äußere Chloroplastenmembran primärer Plastiden zurückgeht.
      Diese Membran unterscheidet sich von anderen plastidären
      Membranen durch die Präsenz von β-barrel Proteinen, die für
      die äußeren Membranen von Gram-negativen Bakterien,
      Mitochondrien und Chloroplasten charakteristisch sind. Mit
      Hilfe verschiedener Algorithmen wurden putative plastidäre
      β-barrel Proteine vorhergesagt und als Fusionsproteine in P.
      tricornutum lokalisiert. Es wurden von 23 Proteinen, vier in
      der Plasmamembran, vier im Cytosol, fünf im ER, fünf
      außerhalb der Plastide und fünf in der Plastide lokalisiert.
      Es konnte kein Protein in der dritten Plastidenmembran
      identifiziert werden. Die Vorhersagealgorithmen sind nicht
      dafür geeignet eukaryote Proteome auf β-barrel Proteine hin
      zu analysieren. Des Weiteren lag ein anderes Problem in der
      Beschaffenheit der Genmodelle, welche die Basis der
      Vorhersage bildeten. In einem zweiten Projekt wurde die
      Subkompartimentierung des ERs in P. tricornutum untersucht.
      Basierend auf der Erkenntnis, dass das ER in ein hostER, die
      Kernhülle (NE) und das cER eingeteilt werden kann, wurde
      untersucht, ob sich hER und cER in ihrer Funktion
      unterscheiden. Basierend auf der Annahme, dass hER und cER
      durch den Tag-Nacht-Zyklus der Photosynthese
      unterschiedlichen physiologischen Bedingungen ausgesetzt
      sind, wurde gefolgert, dass einige Funktionen wie zum
      Beispiel die Proteinqualitätskontrolle und -faltung auf das
      hER beschränkt sein könnten. Daher wurden Faktoren der UPR in
      P. tricornutum untersucht. Überraschenderweise konnten IRE1
      und PERK in Heterokontophyten und Haptophyten identifiziert
      werden. Lokalisationsstudien der UPR-Faktoren zeigten, dass
      diese hauptsächlich auf das hER und den NE beschränkt sind,
      wohingegen hDer1-2 als Beispiel für Proteindegradation im
      gesamten ER und Transporterproteine wie Tpt1 hauptsächlich im
      cER vorhanden sind. Die Abwesenheit der UPR im cER lässt sich
      durch die Physiologie begründen. Außerdem wirft die Präsenz
      von PERK und IRE1 in Protisten ein neues Licht auf die
      Sichtweise der Evolution der UPR. So ist eine alternative
      Entstehungsgeschichte der UPR denkbar.
description: In a process termed secondary
      endosymbiosis a red alga was established as an endosymbiont.
      This led to the evolution of the complex plastids found in
      cryptophytes, haptophytes, heterokontophytes and
      apicomplexans. The genome of this former red alga was
      drastically reduced and mostly transferred into the host
      nucleus. Thus, most plastidal proteins are now encoded in the
      host nucleus and have to be imported from the cytosol into
      the plastid. Appropriate transport mechanisms had to be
      evolved. The aim of this work was the identification of new
      components of the third plastid membrane. It evolved from the
      outer chloroplast envelope of primary plastids. This membrane
      is distinct from other plastidal membranes due to the fact
      that it presumably contains β-barrel proteins which are
      characteristic of outer membranes of gram-negative bacteria,
      mitochondria and chloroplasts. With different algorithms
      putative plastidal β-barrel proteins were predicted and
      localized as fusion proteins in P. tricornutum. Out of 23
      proteins, four were localized to the plasma membrane. Four
      other proteins were localized to the cytosol. Five proteins
      were localized to the ER. Additionally five proteins were
      localized to various compartments outside the plastid and
      five proteins were localized to the plastid. There were no
      new proteins of the third plastidal membrane identified. The
      used prediction algorithms are not suited to analyze a
      eukaryotic genome for β-barrel proteins. Moreover, the
      quality of the predicted gene models of the database
      complicated the analysis. In the second part of this work the
      subcompartmentalization of the ER of P. tricornutum was
      analyzed. Based on the classification of the ER into a
      hostER, nuclear envelope and cER the functions of these two
      subcompartments were tested. Based on the assumption that hER
      and cER are exposed to different physiological conditions
      during night and day, functions as protein quality control
      and protein folding might be restricted to the hER.
      Therefore, factors of the UPR were studied. Surprisingly,
      IRE1 and PERK were identified in heterokontophytes and
      haptophytes. Localization studies of these UPR factors showed
      that these are indeed mainly found in the hER and only in
      minor concentrations in the nuclear envelope and cER. hDer1-2
      which takes part in protein degradation shows an equal
      distribution over the complete ER, while transporter proteins
      like Tpt1 are mainly found in the cER and nuclear envelope.
      The absence of the UPR factors in the cER can be explained by
      different physiological conditions during night and day
      inside of these two subcompartments. Additionally, the
      presence of PERK and IRE1 in protists sheds a new light on
      the evolution of the UPR. An alternative evolutionary history
      is conceivable.