Ionenfallen-Massenspektrometer
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Abteilung Pflanzenproteomik der Leibniz Universität Hannover verfolgt zahlreiche proteinanalytische Forschungsprojekte, die sich insbesondere auf den pflanzlichen Energiestoffwechsel beziehen. Mit Hilfe des neuen Ionenfallen-Massenspektrometers, das sich durch eine hohe Kapazität zur Trennung von Peptiden und eine sehr hohe Massengenauigkeit auszeichnet, konnten unsere Forschungsthemen überaus fruchtbar bearbeitet werden, von denen drei Projekte an dieser Stelle kurz zusammengefasst werden: (i) Die Respiration pflanzlicher Mitochondrien findet im Kontext der Photosynthese statt. Dadurch kommen den Pflanzenmitochondrien Zusatzfunktionen zu. Beispielsweise ist die Atmungskette pflanzlicher Mitochondrien nicht nur an der Bildung von ATP durch ‚Oxidative Phosphorylierung‘ beteiligt, sondern hat darüber hinaus die Aufgabe, das Redox-Milieu in der Pflanzenzelle im Gleichgewicht zu halten. Insbesondere unter Starklicht-Konditionen kann in Pflanzenzellen überschüssige Reduktionsenergie auftreten, die mit Hilfe der Mitochondrien abgebaut wird. Dazu sind die Mitochondrien mit zusätzlichen Atmungskettenenzymen ausgestattet, darunter „alternativen“ NAD(P)H Dehydrogenasen. Diese Enzyme sind, zusammen mit dem „Komplex I“ der Atmungskette, die Haupteintrittspforten für Elektronen in die Atmungskette. Das Zusammenspiel von Komplex I und den alternativen NAD(P)H Dehydrogenase ist dabei bisher unklar. Wir haben eine Mutante hergestellt, in der der Komplex I komplett fehlt. Aufgrund des Vorkommens der alternativen NAD(P)H Dehydrogenasen können Pflanzen trotz dieses Defektes überleben. Mit Hilfe massenspektrometrischer „shotgun“ Analysen konnten wir erstmals umfassend das „Leben ohne Komplex I“ beschreiben. Interessanterweise entwickelt die Pflanzenzelle in Abwesenheit des Komplex I spezifische alternative Strategien zur Bildung von ATP. Gleichzeitig werden alle Vorgänge in den Chloroplasten gedrosselt. Die Mutanten sind extrem entwicklungsverzögert und bilden keine fertilen Samen. (ii) Die Zusatzfunktionen pflanzlicher Mitochondrien basieren ferner auf dem Vorkommen zahlreicher Proteinkomplexe. Mit Hilfe des Ionenfallen-Massenspektrometers haben wir ein „Complexom profiling Projekt“ zur systematischen Charakterisierung von mitochondrialen Proteinkomplexen für die Modellpflanze Arabidopsis thaliana durchgeführt. Dazu werden gereinigte Mitochondrien mittels eindimensionaler blau-nativer Polyacrylamid Gelelektrophorese aufgetrennt. Das resultierende Gel wird in 70 Gelstücke unterteilt, die nachfolgend mittels „label-free shot gun proteomics“ vermessen werden. Es konnten Abundanzprofile für über 1300 Proteine gemessen werden. Auf der Basis einer Anordnung dieser Profile gemäß ihren Ähnlichkeiten (hierarchical clustering) konnte eine große Anzahl bekannter, vor allem jedoch bisher unbekannter Proteinkomplexe charakterisiert werden. (iii) Mitochondrienmembranen enthalten ein einzigartiges, dimeres Lipid: Cardiolipin. Mit Hilfe einer knock-out Mutante, die das letzte Enzym im Biosyntheseweg dieses Lipids nicht mehr bilden kann (die Cardiolipin-Synthase), wurde die Abhängigkeit der Mitochondrien von Cardiolipin untersucht. Da das Fehlen dieses Gens die Fitness der Pflanzen stark reduziert, wurde eine Mutante verwendet, bei der der Cardiolipin-Synthase knock-out zu einem gewünschten Zeitpunkt komplementiert werden kann. Mit Hilfe von „targeted proteomics“ konnten gezielt die Mengen der Cardiolipin-Synthase in den verwendeten Linien ermittelt werden. Zusätzlich wurden die Proteinkompositionen von elektrophoretisch separierten Proteinkomplexen mittels shotgun-MS analysiert. Insbesondere sind ein respiratorischer Superkomplex sowie Cytochrom c betroffen. Es kommt zu spezifischen Auswirkungen auf den zentralen Metabolismus der Pflanzenmitochondrien. Unsere Forschungsresultate ergeben neue Einblicke in den pflanzlichen Energiestoffwechsel, die für ein tieferes Verständnis pflanzlicher Ertragseigenschaften von Bedeutung sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2016): Life without complex I: Proteome analyses of an Arabidopsis mutant lacking the mitochondrial NADH dehydrogenase complex. Journal of Experimental Botany Vol. 67, 3079-3093
Fromm, S., Senkler, J., Eubel, H., Peterhänsel, C. and Braun, H.P.
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(2016): Proteomic and functional analysis of proline dehydrogenase 1 link proline catabolism to mitochondrial electron transport in Arabidopsis thaliana. Biochemical Journal Vol. 473, 2623–2634
Cabassa-Hourton, C., Schertl, P., Bordenave- Jacquemin, M., Saadallah, K., Guivarc’h, A., Planchais, S., Klodmann, J., Eubel, H., Lefebvre-De Vos, D., Ghelis, T., Richard, L., Lebre-ton, S., Abdelly, C., Carol, P., Braun, H.P. and Savouré, A.
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(2017): Cardiolipin deficiency has pleiotropic effects on the plant mitochondrial electron transport chain. Frontiers in Plant Science Vol. 8, 72
Petereit, J., Katayama, K., Lorenz, C., Schertl, P., Kitsche, A., Wada, H., Frentzen, M., Braun, H.P. and Eubel, H.
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(2017): The mitochondrial complexome of Arabidopsis thaliana. The Plant Journal Vol. 89,1079-1092
Senkler, J., Senkler, M., Eubel, H., Hildebrandt, T., Lengwenus, C., Schertl, P., Schwarzlän-der, M., Wagner, S., Wittig, I., and Braun, H.P.
