Calcium-dependent phosphorylation as a regulator of metabolic processes in chloroplasts

• Antragstellerin: Professorin Dr. Ute Carla Vothknecht
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 233379228

Entwicklung und Anpassung von Pflanzen wird durch genetisch vererbte Programmierungen bestimmt, welche durch zeitnahe Reaktionen auf abiotische und biotische Reize variiert werden können. Calcium ist dabei ein wichtiger Botenstoff, welcher Informationen zu externen und internen Signalen an verschiedene zelluläre Prozesse weitergibt. Dies geschieht durch temporäre und örtlich-begrenzte Änderungen der Calcium-Konzentration, welche von Calcium-Sensoren, z.B. Calmodulin, wahrgenommen werden. Diese initiieren dann die zelluläre Antwort entweder direkt oder durch Interaktion mit verschiedenen Zielproteinen. Da viele metabolische Prozesse ganz oder teilweise in den Chloroplasten stattfinden, ist es wichtig, dass das Organell in die verschiedenen Signalwege der Zelle eingebunden ist. Dadurch kann die Funktion des Chloroplasten auf die augenblicklichen, metabolischen Bedürfnisse der Zelle bzw. Pflanze abgestimmt werden. Verschiedene Studien haben gezeigt, dass calcium-abhängige Regulationszyklen in Chloroplasten existieren; so konnten Änderungen in der Calcium-Konzentration gemessen, sowie verschiedene calcium- und calmodulin-bindende Proteine identifiziert werden. Dennoch ist die genaue Rolle von Calcium in der Funktion der Chloroplasten bisher nur wenig verstanden. Calcium-abhängige Regulierung mittels Calmodulin wurde für verschiedene chloroplastidäre Prozesse postuliert, darunter die Phosphorylierung von NAD durch die NAD-Kinase. Diese Reaktion ist die einzige Quelle für chloroplastidäres NADP und spielt dadurch eine wichtige Rolle für die NAD/NADP Balance und den Energiehaushalt des Organells. Darüber hinaus konnten wir kürzlich zeigen, dass auch chloroplastidäre Proteine calcium-abhängig phosphoryliert werden. Unter den Zielproteinen befindet sich dabei die Transketolase, eine zentrale Komponente des Calvin-Benson-Bassham-Zyklus und des Pentose Phosphatweges. Die Transketolase besitzt dadurch eine wichtige Funktion im Kohlenhydrat-Stoffwechsel.Im Zuge dieses Projektes wollen wir die Rolle von Calcium für die Regulation des chloroplastidären Metabolismus näher untersuchen. Dazu wollen wir die calcium-abhängige Phosphorylierung von Transketolase (und evt. anderer chloroplastidärer Proteine) charakterisieren und den Einfluss dieser post-translationalen Modifikation auf den Kohlenhydrat-Stoffwechsel analysieren. Darüber hinaus wollen wir untersuchen, wie Calcium über die calmodulin-regulierte NAD-Kinase sowohl den chloroplastidären Redoxzustand als auch dessen Energiehaushalt beeinflusst. Durch eine genaue Analyse der Interaktionen zwischen spezifischen Calcium-Sensoren und ihren Zielproteinen sollen die Verknüpfungen innerhalb des chloroplastidären Calcium-Netzwerkes aufgezeigt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen