Sulfolipid in Arabidopsis thaliana: Biosynthese, Regulation und Funktion

Abstract

Das Sulfolipid Sulfoquinovosyldiacylglycerin wird in nahezu allen photosynthetischen sowie in einigen wenigen nichtphotosynthetischen Organismen gefunden. Bisher wurde die Biosynthese und Funktion dieses außergewöhnlichen Lipids hauptsächlich in Bakterien studiert. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Modellpflanze Arabidopsis thaliana als Untersuchungsobjekt eingeführt. Ein Teil der Arbeit befaßt sich mit der Biosynthese von Sulfolipid, wobei vor allem die Reaktion, die zur Bildung der Sulfoquinovose-Kopfgruppe führt, untersucht wird. In einem molekularbiologisch/genetischen Ansatz wird das SQD1-Gen von Arabidopsis rekombinant exprimiert und aufgereinigt. Das Protein konnte mit Hilfe eines Homologiemodells charakterisiert und biochemisch untersucht werden. So wurde NAD+ als Cofaktor und UDP-Glucose als Substrat von SQD1 identifiziert. Mit der Kristallisation des SQD1-Proteins und der sich daraus ergebenden Kristallstruktur konnten die Ergebnisse des Homologiemodells und der biochemischen Charakterisierung bestätigt werden. Die Resultate wurden in einem Vorschlag für den SQD1-Reaktionsmechanismus zusammengefaßt.

In dem zweiten Teil der Arbeit konnte ein Beitrag zum Verständnis der Regulation und der Funktion von Sulfolipid in Arabidopsis geleistet werden. Es konnte eine drastische Änderung der Lipidkomposition unter Phosphatmangel festgestellt werden, einhergehend mit einem deutlichen Anstieg auf SQD1 mRNA- und SQD1-Protein. Zur weiteren Untersuchung der Funktion von Sulfolipid wurde die pho1 Mutante herangezogen. Die physiologischen Untersuchungen dieser pho1 Mutante im Vergleich zum Wildtyp ergaben, daß sie trotz deutlich veränderter Lipidzusammensetzung keine Unterschiede in der Lichtanpassung aufweist.

Diese Beobachtungen lassen einerseits darauf schließen, daß die Substitution eines Thylakoidlipides durch ein anderes Lipid eine weitverbreitete Strategie der Pflanze ist, um die Funktionsfähigkeit der photosynthetischen Membran zu gewährleisten. Andererseits wird gezeigt, daß offensichtlich ein gewisser Anteil anionischer Lipide für diese Funktionsfähigkeit nötig ist. Unter Phosphatmangel ist Sulfolipid der geeignete Substituent für das anionische Phospholipid Phosphatidylglycerin.

The sulfolipid sulfoquinovosyldiacylglycerol is found in almost all photosynthetic and few non-photosynthetic organisms. Studies on the biosynthesis and function of this unusual lipid were performed mostly in bacteria. In the present work the higher plant Arabidopsis thaliana was used as model organism. One part of this study focused on the biosynthesis of sulfolipid, in particular the formation of the sulfoquinovosyl-headgroup. Therefor a genetic approach was chosen. The SQD1 gene of Arabidopsis was expressed in E. coli and purified. The SQD1 protein was first characterized using a structural model and the results were proven biochemical. It was possible to identify NAD+ as cofactor and UDP-Glucose as substrate of SQD1. Crystallization and the resulting structure of SQD1confirmed the structural model and the biochemical characterization. Considering all these results a reaction mechanism for the SQD1 protein was proposed.

In the second part of this work the regulation and functions of sulfolipid in Arabidopsis were investigated. Under phosphate-limiting conditions drastic changes in the lipid composition as well as strong induction of SQD1 mRNA and SQD1 protein were observed. Furthermore the pho1 mutant of Arabidopsis was used for physiological experiments. In spite of dramatic changes in the lipid composition this mutant shows no changes in the light acclimation in comparison to the wild type.

It is suggested that adjustments of lipid composition of thylakoid membranes allow the cell to maintain the function of essential processes that are restricted to these membranes, such as photosynthesis. In particular a certain amount of anionic thylakoid lipid is maintained by substituting sulfolipid for phosphatidylglycerol under reduced phosphate availability.