Comparison of the peroxidase system and characterization of the Physcomitrella patens thylakoid-bound APx

Abstract

Plants evolved and became photosynthetically active due to the endosymbiosis of a cyanobacterium into a eukaryotic cell. By-products of the oxygenic process are cytotoxic reactive oxygen species (ROS), such as superoxide anions, hydrogen peroxide, and hydroxyl radicals. These compounds can cause severe damage by oxidation of lipids, proteins, and DNA. Within chloroplasts, ascorbate peroxidases (APxs), peroxiredoxins (Prxs), and glutathione peroxidases (GPxs) serve as peroxide scavengers. The present study focused on these enzyme families in distantly related plant species. Genomes of the lycophyte Selaginella moellendorffii, the moss Physcomitrella patens, the green alga Chlamydomonas reinhardtii, and the model seed plant Arabidopsis thaliana were analyzed for their chloroplast peroxidase genes. The Arabidopsis genome encodes one stromal (sAPx) and one thylakoid-bound APx (tAPx), two 2-Cys peroxiredoxins (2CPs), one peroxiredoxin Q (PrxQ), one peroxiredoxin type II (PrxII), and two GPxs. It was found that Selaginella chloroplasts have the same set of peroxidases with the addition of another PrxQ and another GPx. Physcomitrella, in contrast, revealed to encode no stromal APx and, maybe to balance this lack, multiplied its genes for other soluble chloroplast peroxidases. It shows two 2CPs, two PrxQs, three PrxIIs, and three GPxs. Within the Chlamydomonas genome, two genes for sAPxs, three for 2CPs, one for a PrxQ, one for a PrxII, and three for GPxs were identified. These results show that the composition of the chloroplast antioxidant defense changed during plant evolution. The three types of peroxidases were found in all included species indicating a strong pressure on their maintenance to ensure appropriate fitness and survival of their hosts during time. EST data suggested that 2CPs are the strongest expressed chloroplast antioxidant enzymes in Chlamydomonas, Selaginella, and Arabidopsis. Physcomitrella, in contrast, showed a strong transcription of its thylakoid-bound APx (PptAPx). Its atypical gene structure and surrounding within the genome indicated a retrotransposonal origin. After integration of PptAPx into the genome, its expressional regulation was established. The transcription is initiated at two different sites and revealed to be influenced by light intensity, temperature, low molecular weight antioxidants, and the phytohormone abscisic acid. Apart from this, the chloroplast targeting of PptAPx was verified and its functionality indicated. Since Physcomitrella maintained this tAPx and established its fine-tuned regulation, it is suggested that the enzyme is of essential importance for its survival during times. In addition, parallels in targeting and transcription initiation of Physcomitrella and higher plants were unraveled.

Die Endosymbiose eines Cyanobacteriums durch eine eukaryotische Zelle führte zur Entstehung von Pflanzen und deren photosynthetischer Aktivität. Reaktive Sauerstoffspezies (engl. Reactive Oxygen Species, ROS), wie Superoxidanionen, Wasserstoffperoxid und Hydroxylradikale, sind Nebenprodukte dieses Sauerstoff produzierenden Prozesses. Diese Stoffe können durch Oxidation von Lipiden, Proteinen und DNA schwere Schäden verursachen. In Chloroplasten fungieren Ascorbatperoxidasen (APxs), Peroxiredoxine (Prxs) und Glutathionperoxidasen (GPxs) als Peroxidfänger. Die vorliegende Studie fokussiert auf diese Enzymgruppen. Sie behandelt ihr Vorkommen in verschiedenen pflanzlichen Entwicklungsstufen. Die Genome der Modellsamenpflanze Arabidopsis thaliana, des Lycophyten Selaginella moellendorffii, des Laubmooses Physcomitrella patens und der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii wurden bezüglich der für chloroplastidäre Peroxidasen kodierenden Gene analysiert. Das Arabidopsis Genom enthält ein Gen für eine stromale (sAPx) und eins für eine an Thylakoiden gebundene APx (tAPx). Zusätzlich sind zwei 2-Cys Peroxiredoxine (2CPs), ein Peroxiredoxin Q (PrxQ), ein Peroxiredoxin Typ II (PrxII) und zwei GPxs vorhanden. Diese Arbeit zeigt, dass Selaginella Chloroplasten das gleiche Set an Peroxidasen mit dem Zusatz einer weiteren PrxQ und einer GPx enthalten. Im Physcomitrella Genom jedoch, ist keine sAPx kodiert während Gene für andere chloroplastidäre Peroxidasen vervielfacht wurden. Das Vorhandensein zweier 2CPs, zweier PrxQs, dreier PrxIIs und dreier GPxs könnte einen Versuch darstellen, das Fehlen der sAPx auszugleichen. In dem Genom von Chlamydomonas konnten zwei Gene kodierend für sAPxs, drei für 2CPs, eines für PrxQ, eines für PrxII und drei für GPxs identifiziert werden. Diese Resultate zeigen, dass die Zusammensetzung des chloroplastidären antioxidativen Schutzes während der Pflanzenevolution starke Veränderungen erfuhr. Alle drei Peroxidasetypen waren in den untersuchten Pflanzenarten vertreten, was einen starken evolutionären Druck bezüglich ihres Erhalts erkennen lässt. Diese Enzyme sind essentiell, um eine ausreichende Fitness und damit das Überleben der Pflanzen über die Zeiten zu gewährleisten. EST-Daten wiesen darauf hin, dass 2CPs die am stärksten exprimierten chloroplastidären antioxidativen Enzyme in Chlamydomonas, Selaginella und Arabidopsis sind. Im Gegensatz dazu zeigte Physcomitrella eine starke Transkription der tAPx (PptAPx). Die atypische Struktur des kodierenden Gens und dessen Umgebung im Genom ließen auf einen retrotransposonalen Ursprung schließen. Eine expressionale Regulation wurde im Anschluss an die Integration von PptAPx ins Genom etabliert. Die Transkription wird an zwei unterschiedlichen Stellen initiiert und zeigte sich beeinflusst von Lichtintensität, Temperatur, niedermolekularen Antioxidantien und dem Phytohormon Abszisinsäure. Ferner wurde die Chloroplastenlokalisation von PptAPx nachgewiesen und die Funktionalität des Enzyms untersucht. Diese tAPx blieb in Physcomitrella erhalten und eine feinabgestimmte expressionale Regulation etabliert. Dies deutet darauf hin, dass das Enzym von wesentlicher Bedeutung für das Überleben des Laubmooses ist. Zusätzlich wurden im Zuge der Arbeiten für die vorliegende Studie Parallelen in der transkriptionellen Initiation und in der Proteinlokalisationsmaschinerie zwischen Physcomitrella und höheren Pflanzen aufgezeigt.