Kutatás - Növénybiológiai Intézet - Növényi Lipid Funkció és Szerkezet Csoport

GOMBOS Zoltán
tudományos tanácsadó

picture
KIS Mihály tudományos főmunkatárs
RACSKÓNÉ DOMONKOS Ildikó tudományos munkatárs
ZAKAR Tomás tudományos segédmunkatárs
VAJRAVEL Sindhujaa tudományos munkatárs
KOVÁCS Terézia ügyvivő szakértő
KIRI Istvánné szakmai szolgáltató
HERMAN Éva szakmai szolgáltató

LIPIDEK FUNKCIONÁLIS ÉS SZERKEZETI SZEREPE A FOTOSZINTETIKUS MEMBRÁNOKBAN

A fotoszintetikus membránok lipidösszetételének jelentős szerepe van a fotoszintetikus folyamatokban résztvevő komplexek (1. ábra) felépítésében és a környezeti stresszhatásokkal szembeni ellenállásban. Csoportunk különféle fiziológiás, biofizikai és molekuláris biológiai technikákkal vizsgálja a foszfatidilglicerin szerepét a fotoszintetikus komplexek kialakításában, a cianobakteriális sejtosztódásban, valamint a lipid-fehérje, lipid-karotinoid és karotinoid-fehérje kölcsönhatások szerepét a stresszfolyamatokban.




1. ábra A cianobaktériumok fotoszintetikus apparátusának vázlata


A foszfatidilglicerin szerepe a fotoszintetikus elektrontranszport folyamatokban

A fotoszintetikus membránok lipidjei főként gliko-glicerolipidek, egy szulfolipid valamint egyetlen foszfolipid: a foszfatidilglicerin (FG). Az FG nélkülözhetetlen lipid az oxigéntermelő fotoszintetikus folyamatokat végző cianobaktériumok és növények számára. Röntgenkrisztallográfiás vizsgálatok FG molekulák jelenlétét mutatták ki a fotoszintetikus komplexek (PSI és PSII) reakciócentrumaiban (2. és 3. ábra).




2. ábra. A negatívan töltött lipidek, FG (PG) és SQDG (SQ) elhelyezkedése a monomer PSII RC redukáló felszínén, 1.9 Å felbontásban. (A) A kofaktorok (plasztokinon QA és QB), valamint az FG és SQDG molekulák elhelyezkedése. Zöld nyilak jelzik az FG molekulák fejcsoportjának helyzetét. (B) A kofaktorok és az RC fehérje alegységeinek elhelyezkedése. (C) A PSII redukáló felszínének modellje, a lipid molekulák színesen ábrázolva.




3. ábra Az FG (PG) molekulák elhelyezkedése a 1. fotokémiai rendszerben, röntgenkrisztallográfiai adatok alapján készült szerkezeti kép.


Csoportunkban létrehoztunk különféle FG-hiányos cianobaktérium törzseket. Ezek a mutánsok nem képesek FG szintézisére, és csak a tápoldathoz hozzáadott FG jelenlétében tudnak életben maradni. A mutánsok FG jelenlétében hasonló mértékben szaporodtak, mint a vad típusú sejtek, ugyanakkor az FG megvonása után a sejtek osztódása jelentős mértékben lelassult, a sejtek mérete megnőtt, alakja eltorzult (4. ábra). Az FG ismételt hozzáadása azonban képes volt helyreállítani a sejtek osztódását. Megfigyeltük és tömegspektrometriás mérésekkel bizonyítottuk, hogy a sejtekhez adott mesterséges FG molekulákat a sejtek átépítik a működéshez szükséges természetes FG molekula fajtákká.




4. ábra. I. FG-hiányos mutáns Synechocystic PCC 6803 sejtek elektronmikroszkópos felvételen. (A) FG jelenlétében nevelt sejtek, (B) FG kivonás következtében megnőtt sejtek, (C) osztódási rendellenességet mutató FG-hiányos sejtek. Lépték: 1 μm II. Synechococcus PCC7942 sejtek elektronmikroszkópos felvételen. FG-vel kiegészített tápoldatban (A), és FG-mentes médiumban nevelt sejtek (B és C). Az FG-mentes tápoldatban nevelt sejtek osztódása lelassul, a sejtek megnyúlnak, torz sejtformák is kialakulhatnak. Lépték: 0.6 μm ( Párducz Árpád felvételei)



Az FG sejtekből való megvonása rövid idő alatt csökkentette a PSII aktivitását: befolyásolta a PSII-ben az elsődleges és a másodlagos kinon közötti elektrontranszport-folyamatot, megakadályozta a CP43 fehérje alegységnek a PSII reakciócentrumhoz történő kapcsolódását, valamint a működőképes PSII dimerek kialakulását. Hosszútávú FG éheztetés hatására a PSI monomerek mennyisége nőtt a trimerek lecsökkenésével párhuzamosan (5. ábra), és a PSI aktivitása csökkent.



5. ábra. PSI trimer, amely az FG kivonásának hatására monomerekké esik szét.



Az FG molekulák tehát fontos szerepet játszanak a cianobaktérium sejtek osztódásában, és nélkülözhetetlenek a fotoszintetikus reakciócentrumok szerkezetének kialakításához, valamint működésükhöz.


A karotinoidok nélkülözhetetlenek a fotoszintetikus folyamatok működéséhez

Az FG megvonása a sejtek fényérzékenységéhez vezetett; a pigmentek fokozatosan leépültek és végül a sejtek meghaltak. Mindezt okozhatja a klorofill molekulák triplett állapotának kialakulása, mely reaktiv oxigénszármazékok kialakulásához vezet, amelyek végül a fotoszintetkus pigmentek lebomlását okozzák. Kimutattuk, hogy FG-hiányos Synechocystis PCC6803 cianobaktérium sejtekben FG-megvonás hatására mixoxantofill és echinenon karotinoidok halmozódnak fel a tilakoidban és a citoplazma membránban. Ez arra utal, hogy az FG megvonása befolyásolja egyes karotinoidok bioszintézisét.

Annak érdekében, hogy minél jobban megérthessük a karotinoidok szerepét a fotoszintetikus folyamatokban, létrehoztuk az első karotinoidhiányos oxigéntermelő fotoszintetikus prokarióta mutánst (6. ábra).




6. ábra. Vad típusú és karotinoidmentes mutáns Synechocystis PCC6803 sejtek pigmentösszetétele HPLC kromatogramon


A mutáns Synechocytis PCC6803 sejtekben a karotinoidok hiánya nem befolyásolta a PSI és citokróm b6f komplexek szerkezetének kialakítását, azonban a sejtek fényérzékennyé váltak, nem termeltek oxigént, nem alakultak ki működőképes PSII reakciócentrumok. A karotinoidok hiánya nem befolyásolta jelentősen a vizsgált fotoszintetikus reakciócentrum-fehérjék génjeinek transzkripcióját, ugyanakkor a PSII felépítésében résztvevő fehérjék transzlációja jelentős mértékben lecsökkent.

A karotinoidok tehát fontos elemei a fotoszintetikus rendszernek és alapvető szerepük van a klorofill molekulák fotooxidációval szembeni védelmében, valamint szükségesek a PSII alegységeinek szintéziséhez és szerkezetének kialakításához.


A karotinoidok szerepe a fotoszintetikus komplexek szupramolekuláris szerveződésében

A fotoszintetikus organizmusok tilakoid membránjai, amelyek felelősek a fotoszintetikus energiaátalakításért, rendkívül összetett és dinamikus rendszerek. A pigment-protein komplexek, hierarchikus módon, multiprotein komplexeket alkotnak, amelyek további, kiterjedt rendezettséget mutató fehérje doménekbe szerveződnek. A hierarchikus szerveződés minden szintjén nagyfokú diverzitás figyelhető meg, ami az adott faj evolúciós adaptációját, ill. az organizmus környezeti változásokhoz való akklimatizációját tükrözi. Nem ismert, hogy mely tényezők határozzák meg az adott körülmények között jellemző struktúrák kialakulását. A multiprotein komplexek, ill. azok rendezett doménekké való összeállása önszerveződéssel jön létre, melynek mechanizmusa kevéssé ismert. A fehérje alegységek közötti interakciót legfőképpen az alegységek egyedi tulajdonságai határozzák meg. A szerkezet ill. a pigmenttartalom csekély változásai a fehérje alegységek interakcióit megváltoztatva eltérő szupramolekuláris organizáció ill. doménszerkezet kialakulását eredményezheti, ami a fotoszintetikus funkciók hangolását teheti lehetővé. A karotinoidok fontos szerepet játszanak a pigment-kötő fehérjék szerkezeti sajátságainak kialakításában. Karotinoidok hiányában számos fehérje nem képes a funkcionális szerkezet kialakítására. Más fehérjék a karotinoid tartalom dinamikus változtatásával flexibilis szerkezeti változásokra képesek. A karotinoidoknak a fehérje alegységek interakcióira ill. rendezett domének kialakulására gyakorolt hatása kevéssé tanulmányozott. Előzetes eredményeink a karotinoidoknak a tilakoid membránfehérjék szupramolekuláris szerveződésében betöltött meghatározó szerepére utalnak.


Selected publications

Domonkos I, Kis M, Gombos Z, Ughy B (2013) Carotenoids, versatile components of oxygenic photosynthesis. Prog Lipid Res. 52:539-561

Dobrikova AG, Domonkos I, Sözer Ö, Laczkó-Dobos H, Kis M, Párducz Á, Gombos Z, Apostolova EL. (2013) Effect of partial or complete elimination of light-harvesting complexes on the surface electric properties and the functions of cyanobacterial photosynthetic membranes. Physiol Plant. 147:248-60.

Itoh S, Kozuki T, Nishida K, Fukushima Y, Yamakawa H, Domonkos I, Laczkó-Dobos H, Kis M, Ughy B, Gombos Z. (2012) Two functional sites of phosphatidylglycerol for regulation of reaction of plastoquinone Q(B) in photosystem II. Biochim Biophys Acta. 1817:287-97 Ozge Sozer, Josef Komenda, Bettina Ughy, Ildikó Domonkos, Hajnalka Laczkó-Dobos, Przemyslaw Malec, Zoltán Gombos and Mihály Kis (2010) Involvement of Carotenoids in the Synthesis and Assembly of Protein Subunits of Photosynthetic Reaction Centers of Synechocystis sp. PCC 6803. Plant Cell Physiol. 51: 823–835.

Domonkos, I., Malec, P., Laczkó-Dobos, H., Sözer, O., Klodawska, K., Wada, H., Strzalka, K. and Gombos, Z. (2009). Phosphatidylglycerol depletion induces an increase in myxoxanthophyll biosynthetic activity in Synechocystis PCC6803 cells. Plant Cell Physiol. 50: 374-382.

Domonkos, I., Laczkó-Dobos, H. and Gombos, Z. (2008). Lipid-assisted protein-protein interactions that support photosynthetic and other cellular activities. Prog. Lipid Res. 47: 422-435.

Laczkó-Dobos, H., Ughy, B., Tóth, S.Z., Komenda, J., Zsiros, O., Domonkos, I., Párducz, Á., Bogos, B., Komura, M., Itoh, S. and Gombos, Z. (2008). Role of phosphatidylglycerol in the function and assembly of Photosystem II reaction center, studied in a cdsA-inactivated PAL mutant strain of Synechocystis sp. PCC6803 that lacks phycobilisomes. Biochim. Biophys. Acta 1777: 1184-1194.

Domonkos, I., Malec, P., Sallai, A., Kovács, L., Itoh, K., Shen, G., Ughy, B., Bogos, B., Sakurai, I., Kis, M., Strzalka, K., Wada, H., Itoh, S., Farkas, T. and Gombos, Z. (2004). Phosphatidylglycerol is essential for oligomerization of Photosystem I reaction center. Plant Physiol. 134: 1471-1478.

Várkonyi, Zs., Masamoto, K., Debreceny, M., Zsiros, O., Ughy, B., Gombos, Z., Domonkos, I., Farkas, T., Wada, H. and Szalontai, B. (2002). Low-temperature-induced accumulation of xanthophylls and its structural consequences in the photosynthetic membranes of the cyanobacterium Cylindrospermopsis raciborskii. An FTIR spectroscopic study. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99: 2410-2415.

Gombos, Z., Várkonyi, Zs., Hagio, M., Iwaki, M., Kovács, L., Masamoto, K., Itoh, S. and Wada, H. (2002). Phosphatidylglycerol requirement for the function of elektron acceptor plastoquinone QB in the photosystem II reaction center. Biochemistry 41: 3796-3802

Hagio, M., Gombos, Z., Vákonyi, Zs., Masamoto, K., Sato, N., Tsuzuki, M. and Wada, H. (2000). Direct evidence for requirement of phosphatidylglycerol in photosystem II of photosynthesis. Plant Physiol. 124: 795-804.

Kis, M., Zsiros, O., Farkas, T., Wada, H., Nagy, F. and Gombos, Z. (1998). Light-induced expression of fatty acid desaturase genes. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 95: 4209-4214.

Gombos, Z., Kanervo, E., Tsvetkova, N., Sakamoto, T., Aro, E.M. and Murata, N. (1997). Genetic enhancement of the ability to tolerate photoinhibition by introduction of unsaturated bonds into membrane glycerolipids. Plant Physiol. 115: 551-559.

Gombos, Z., Wada, H. and Murata, N. (1994). The recovery of photosynthesis from low-temperature photoinhibition. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91: 8787-8791.

Gombos, Z., Wada, H. and Murata, N. (1992). Unsaturation of fatty acids in membrane lipids enhances the tolerance of the cyanobacterium Synechocystis PCC6803 to low-temperature photoinhibition. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89: 9959-9963.

Wada, H., Gombos, Z. and Murata, N. (1990). Enhancement of chilling tolerance of a cyanobacterium by genetic manipulation of fatty acid desaturation. Nature (London) 347: 200-203.

Gombos, Z., Kis, M., Páli, T. and Vígh, L. (1987). Nitrate starvation induces homeoviscous regulation of lipids in the cell envelope of the blue-green alga, Anacystis nidulans. Eur. J. Biochem. 165: 461-465.