Einzelmolekül-Untersuchungen zu Faltung und Zusammenbau des Lichtsammelkomplexes LHCII

Zusammenfassungrn Der Faltungsprozess des Hauptlichtsammelkomplexes des Photosystems II aus höheren Pflanzen (light harvesting complex II, LHCII) wurde bereits mehrfach untersucht, die Experimente hierzu fanden stets im Ensemble statt. Anhand der bislang veröffentlichten Faltungskinetiken des LHCII aus höheren Pflanzen lassen sich aber keine eindeutigen Aussagen bezüglich der Diversität der Faltungswege treffen. Daher sollten im Rahmen dieser Arbeit Faltungskinetiken einzelner LHCII-Moleküle während der Komplexbildung aufgenommen werden, um weitergehende Informationen zum Faltungsmechanismus zu erhalten und zur Frage, ob hier mehrere unterschiedliche Wege eingeschlagen werden.rnHierfür war zunächst die Etablierung einer Oberflächenimmobilisierung mit Glas als Trägermaterial notwendig. Nachdem Versuche, diese Immobilisierung über einen His6-tag oder über einen heterobifunktionellen Linker zu bewerkstelligen, nicht zum Erfolg geführt haben, konnte eine Immobilisierung des Biotin-markierten Proteins an Oberflächen-gebundenes Avidin erreicht werden. Die Qualität dieser Immobilisierung wurde hierbei sowohl über Bindungsversuche mit fluoreszenzfarbstoffmarkiertem Protein als auch über eine direkte Kontrolle der Oberflächenbeschaffenheit mittels Rasterkraftmikroskopie überprüft. Die für die folgenden Versuche optimale Belegungsdichte wurde im konfokalen Fluoreszenzmikroskop ermittelt. Zudem wurde sichergestellt, dass die Proteine vereinzelt auf der Oberfläche immobilisiert vorliegen.rnAuf dieser Basis wurden LHCII-Komplexe, die zuvor in vitro rekonstituiert wurden, immobilisiert und Versuche zur kontrollierten Denaturierung unternommen, um Zerfalls-kinetiken im Verfahren der internen Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (total internal reflection fluorescence, TIRF) aufnehmen zu können. Hierbei traten Schwierigkeiten bezüglich der Lebensdauer der Komplexe unter Laser-Belichtung auf, da sich die Löschung der Fluoreszenz durch Zerstrahlung der Pigmente einerseits oder Dissoziation der LHCII andererseits nicht unterscheiden ließen. Auch durch verschiedene Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer konnte diese nicht in dem Maße gesteigert werden, wie es experimentell notwendig gewesen wäre.rnFür das eigentliche Hauptziel dieser Arbeit – die Aufzeichnung von Einzelmolekül-Faltungskinetiken – war die Entwicklung einer Methode zur Rekonstitution oberflächen-immobilisierter LHCII-Apoproteine notwendig. Dieses Ziel wurde mithilfe einer Detergenzmisch-Rekonstitution erreicht. Der Erfolg der Rekonstitution konnte experimentell sowohl im Fluorimeter anhand des komplexinternen Energietransfers auf einen kovalent an das Protein gebundenen Infrarot-Fluorophor als auch im TIRF-Verfahren direkt beobachtet werden. Auch hier konnte nach ca. 80 Sekunden ein Ausbleichen der Komplexe während der Belichtung durch den Anregungs-Laser beobachtet werden.rnIn Versuchen zur Beobachtung des Komplexbildungsvorganges zeigte sich, dass die Rekonstitution offenbar durch die Belichtung massiv gestört wird. Ein weiteres Problem war eine sehr starke Hintergrundfluoreszenz, ausgelöst durch die zur Rekonstitution notwendige Pigmentlösung, die trotz der TIRF-Anregung von ausschließlich oberflächengebundenem Material die Fluoreszenz der Komplexe überlagerte. Somit konnte die Rekonstitution oberflächenimmobilisierter LHCII-Proteine zwar in Vorher-Nachher-Aufnahmen gezeigt werden, der Faltungsprozess an sich konnte dagegen im Rahmen dieser Arbeit nicht aufgezeichnet werden.

Induction of Acclimative Proteolysis of the Light-Harvesting Chlorophyll a/b Protein of Photosystem II in Response to Elevated Light Intensities1

Most plants have the ability to respond to fluctuations in light to minimize damage to the photosynthetic apparatus. A proteolytic activity has been discovered that is involved in the degradation of the major light-harvesting chlorophyll a/b-binding protein of photosystem II (LHCII) when the antenna size of photosystem II is reduced upon acclimation of plants from low to high light intensities. This ATP-dependent proteolytic activity is of the serine or cysteine type and is associated with the outer membrane surface of the stroma-exposed thylakoid regions. The identity of the protease is not known, but it does not correspond to the recently identified chloroplast ATP-dependent proteases Clp and FtsH, which are homologs to bacterial enzymes. The acclimative response shows a delay of 2 d after transfer of the leaves to high light. This lag period was shown to be attributed to expression or activation of the responsible protease. Furthermore, the LHCII degradation was found to be regulated at the substrate level. The degradation process involves lateral migration of LHCII from the appressed to the nonappressed thylakoid regions, which is the location for the responsible protease. Phosphorylated LHCII was found to be a poor substrate for degradation in comparison with the unphosphorylated form of the protein. The relationship between LHCII degradation and other regulatory proteolytic processes in the thylakoid membrane, such as D1-protein degradation, is discussed.

Structural analysis of the major lightharvesting complex II by electron paramagnetic resonance (EPR) : comparison between monomers and trimers

Der Haupt-Lichtsammenkomplex II (LHCII) höherer Pflanzen ist das häufigsternMembranprotein der Welt und in die chloroplastidäre Thylakoidmembran integriert. DerrnLHCII kann als Modellsystem genutzt werden, um die Funktionsweise vonrnMembranproteinen besser zu verstehen, da 96 % seiner Struktur kristallografisch aufgelöstrnist und er in rekombinanter Form in vitro rückgefaltet werden kann. Hierbei entsteht einrnvoll funktionaler Protein-Pigment.Komplex, der nahezu identisch mit der in vivo Varianternist.rnElektronenparamagnetischen Resonanz (EPR) Spektroskopie ist eine hoch sensitive undrnideal geeignete Methode, um die Strukturdynamik von Proteinen zu untersuchen. Hierzurnist eine ortsspezifische Markierung mit Spinsonden notwendig, die kovalent an Cysteinernbinden. Möglich wird dies, indem sorgfältig ausgewählte Aminosäuren gegen Cysteinerngetauscht werden, ohne dass die Funktionsweise des LHCII beeinträchtigt wird.rnIm Rahmen dieser Arbeit wurden die Stabilität des verwendeten Spinmarkers und diernProbenqualität verbessert, indem alle Schritte der Probenpräparation untersucht wurden.rnMithilfe dieser Erkenntnisse konnte sowohl die Gefahr einer Proteinaggregation als auchrnein Verlust des EPR Signals deutlich vermindert werden. In Kombination mit derrngleichzeitigen Etablierung des Q-Band EPR können nun deutlich geringer konzentrierternProben zuverlässig vermessen werden. Darüber hinaus wurde eine reproduzierbarernMethode entwickelt, um heterogene Trimere herzustellen. Diese bestehen aus einemrndoppelt markierten Monomer und zwei unmarkierten Monomeren und erlauben es, diernkristallografisch unvollständig aufgelöste N-terminale Domäne im monomeren undrntrimeren Assemblierungsgrad zu untersuchen. Die Ergebnisse konnten einerseits diernVermutung bestätigen, dass diese Domäne im Vergleich zum starren Proteinkern sehrrnflexibel ist und andererseits, dass sie in Monomeren noch mobiler ist als in Trimeren.rnZudem wurde die lumenale Schleifenregion bei unterschiedlichen pH Werten undrnvariierender Pigmentzusammensetzung untersucht, da dieser Bereich sehr kontroversrndiskutiert wird. Die Messergebnisse offenbarten, dass diese Region starre und flexiblerernSektionen aufweist. Während der pH Wert keinen Einfluss auf die Konformation hatte,rnzeigte sich, dass die Abwesenheit von Neoxanthin zu einer Änderung der Konformationrnführt. Weiterführende Analysen der strukturellen Dynamik des LHCII in einerrnLipidmembran konnten hingegen nicht durchgeführt werden, da dies eine gerichteternInsertion des rückgefalteten Proteins in Liposomen erfordert, was trotz intensiverrnVersuche nicht zum Erfolg führte.

光系统II大量捕光色素蛋白复合体（LHCIIb）结构和功能关系 的定点突变研究

定点突变技术可以对某个已知基因的特定碱基进行定点改变、缺失或者插入，从而改变对应的氨基酸序列和蛋白质结构，因而成为研究蛋白质结构和功能之间的复杂关系的有力工具。对突变基因的表达产物进行研究有助于我们了解蛋白质结构和功能的关系，探讨蛋白质的结构/结构域。 植物体光系统II的大量捕光色素蛋白复合体（LHCIIb）具有多种功能，在自然界不同日光光强下分别执行捕获、传递光能或将过度激发能非光化学耗散的功能。最新的近原子分辨率LHCIIb晶体结构揭示出在LHCIIb穿膜螺旋B/C之间的环区具有复杂的超二级结构，其中一个新发现就是在此环区靠近穿膜螺旋C的区域中存在一个反平行股的结构，其功能不明。为了研究此反平行链对于LHCIIb复合体在结构和功能上的意义，我们将了这一区域的3个氨基酸（Val119、His120、Ser123）分别定点突变成Phe、Leu和Gly，并研究了这三个定点突变对LHCIIb结构和功能上的影响。结果如下：1，CD光谱揭示出该反平行链对于调节新黄质及其附近色素群的构象十分重要。虽然这三个突变只造成很少的新黄质丢失（V119F, 0.09; S123G, 0.17; and H120L, 0.26），但是却使色素构象发生了巨大变化。2，将S123突变成G导致复合物对光破坏更加敏感并且更易于聚集，在介质酸化后复合物的荧光淬灭更加显著。这些结果说明这段反平行链对于调节LHCIIb色素构象以及控制LHCIIb聚集体形成和叶绿素荧光产量具有重要作用。 以结构为基础的计算设计方法与定向进化相结合是蛋白质工程的一个发展方向。最近，通过计算设计已成功地向蛋白质引入了新的催化活性、提高了蛋白质的稳定性、设计了酶的催化活性位点、改变了酶的底物特异性等. 目前还没有见到有研究定向地，以理性方式对LHCIIb进行蛋白质设计。我们使用蛋白质的计算机辅助设计工具——RosettaDesign鉴定出一个可以显著提高LHCIIb光、热稳定性的定点突变I124L，并且突变体的的结构和功能与野生型无异。这是首次将计算机辅助设计应用于提高LHCIIb稳定性的研究。

高等植物光系统II捕光天线结构与功能的研究

高等植物光系统II的捕光天线蛋白（LHC II）在光能的吸收、传递和调节激发能在两个光系统之间的分配以及维持类囊体膜的垛叠等方面都起着重要的作用，因而得到了广泛的研究。目前普遍认为LHC II在植物体内是以三聚体的形式存在并行使功能的，但也有研究者发现了单体和寡聚体等多种形式的LHC II。本论文以菠菜为研究对象，采用改进的方法从类囊体膜中提取纯化了LHC II三聚体，对膜脂和色素在三聚体形成和蛋白空间结构中的影响，以及不同聚集态LHC II组成、结构和功能的差异进行了较系统的研究。此外，还将Lhcb2基因反向插入到烟草中，利用转基因植物来研究其生理功能。获得了如下结果： 1，采用改进的方法从菠菜类囊体膜中分离纯化了LHC II。与改进前比，其流程可以缩短2小时且产率也有明显的提高。SDS变性电泳和Triton X-100非变性电泳的检测结果表明，此样品纯度较高，是由三条分子量分别为29KD、28KD和26KD的多肽组成的异质三聚体。同时样品的吸收光谱和荧光光谱分析结果也与前人的报道一致。 2，分析了LHC II三聚体中的膜脂和脂肪酸组成及含量。与PSII相比，LHC II含有相同的四种膜脂：MGDG、DGDG、PG和SQDG。但LHC II中PG的含量是PSII的两倍，说明PSII中的PG主要富集在外周天线区域。同时PG中含有特异的反式十六碳一烯酸，且含量很高。用专一消化PG上Sn-2位脂肪酸链的磷脂酶A2（PLA2）处理LHC II三聚体，然后再加入PG重组的方法证明了含十六碳一烯酸的PG在三聚体结构的维持中起着至关重要的作用。去掉PG后， LHC II三聚体的结构受到了影响，部分解聚成了单体，同时其光谱特性也发生了变化，表现为叶绿素b分子的吸收峰及其激发的荧光发射峰都明显下降。回加PG则可使解聚的单体又重新聚集成三聚体。 3，分别用电洗脱和蔗糖密度梯度离心两种方法分离了LHC II三聚体、二聚体和单体。两者比较，电洗脱对样品的破坏较大，而蔗糖密度梯度离心更加温和，对蛋白上结合的色素影响不大。系统研究了不同聚集态LHC II的组成和光谱特性后发现，三种聚集态的LHC II有相同的多肽组成，并且都结合着5种色素，但是色素的含量差异较大。二聚体和单体中，叶绿素b和类胡萝卜素分子的含量比三聚体的低很多，此外，单体叶绿素a分子的含量也明显减少。对三种聚集态LHC II的各种光谱特性进行分析的结果表明，由于叶绿素b和类胡萝卜素分子含量较少，二聚体和单体中叶绿素b和类胡萝卜素的吸收均有所下降，而且从类胡萝卜素到叶绿素b以及从叶绿素b到叶绿素a的能量传递效率都低于LHC II三聚体，总体表现为三聚体 > 二聚体 > 单体。此外，不同单体之间叶绿素a到叶绿素a的能量传递也被破坏。推测三种聚集态LHC II在吸能、传能和结构上的差异，可能是植物适应不同外界环境的一种调控机制。 4，模拟体内过程，在体外将大肠杆菌中表达的Lhcb2蛋白和色素进行重组，以此来研究色素与蛋白组装过程中蛋白二级结构和色素结合状态的变化。结果表明色素在脱辅基蛋白的体外重折叠中至关重要。在与色素重组的过程中，蛋白二级结构中-螺旋含量逐渐上升并最终接近天然水平，而无规卷曲逐渐减少。从光谱的变化可以看出，色素分子与蛋白的结合经历了一个由无序到有序的过程，色素蛋白复合物的光谱信号由弱变强，重组得到的样品与天然LHC II十分相似。 5，为了更好地研究LHC II异质三聚体中单体可能具有的独特生理功能，建立了Lhcb2基因的反义抑制植物表达载体pBI-antiLhcb2，用根癌农杆菌介导法转化烟草，获得了转基因植株。酶切和PCR鉴定证明，Lhcb2基因已经成功地插入到烟草里。进一步的分子鉴定和生理生化功能分析还在进行中。

Implications of a Developmental-Stage-Dependent Thylakoid-Bound Protease in the Stabilization of the Light-Harvesting Pigment-Protein Complex Serving Photosystem II during Thylakoid Biogenesis in Red Kidney Bean1

Intact etioplasts of bean (Phaseolus vulgaris) plants exhibit proteolytic activity against the exogenously added apoprotein of the light-harvesting pigment-protein complex serving photosystem II (LHCII) that increases as etiolation is prolonged. The activity increases in the membrane fraction but not in the stroma, where it remains low and constant and is mainly directed against LHCII and protochlorophyllide oxidoreductase. The thylakoid proteolytic activity, which is low in etioplasts of 6-d-old etiolated plants, increases in plants pretreated with a pulse of light or exposed to intermittent-light (ImL) cycles, but decreases during prolonged exposure to continuous light, coincident with chlorophyll (Chl) accumulation. To distinguish between the control of Chl and/or development on proteolytic activity, we used plants exposed to ImL cycles of varying dark-phase durations. In ImL plants exposed to an equal number of ImL cycles with short or long dark intervals (i.e. equal Chl accumulation but different developmental stage) proteolytic activity increased with the duration of the dark phase. In plants exposed to ImL for equal durations to such light-dark cycles (i.e. different Chl accumulation but same developmental stage) the proteolytic activity was similar. These results suggest that the protease, which is free to act under limited Chl accumulation, is dependent on the developmental stage of the chloroplast, and give a clue as to why plants in ImL with short dark intervals contain LHCII, whereas those with long dark intervals possess only photosystem-unit cores and lack LHCII.

Isolation of the main light-harvesting chlorophyll a/b-protein complex from thylakoid membranes of marine alga, Bryopsis corticulans by a direct method

The main chlorophyll a/b light-harvesting complex (LHC 11) has been isolated directly from thylakoid membranes of marine green alga (Bryopsis corticulans Setch.) by two consecutive runs of anion exchange and gel-filtration chromatography. LHC 11 proteins in the membrane extracts treated with 3% n-Octyl-b-D-glucopyranoside (OG) obtained specific binding ability on Q Sepharose column, and thus were isolated from the thylakoid membranes in a highly selective fraction. The monomeric, trimeric and oligomeric subcomplexes of LHC 11 have been obtained by fractionation of the LHC 11 mixes with sucrose density gradient ultracentrifugation. The SDS-PAGE analysis of peptide composition and absorption spectrum showed that LHC 11 monomers, trimers and oligomers prepared through this work were intact and in high purity. Our report is the first to show that it is possible to purify LHC If directly from thylakoid membranes without extensively biochemical purification.

Light-Regulated Transcription of Genes Encoding Peridinin Chlorophyll a Proteins and the Major Intrinsic Light-Harvesting Complex Proteins in the Dinoflagellate Amphidinium carterae Hulburt (Dinophycae)1 : Changes in Cytosine Methylation Accompany Photoadaptation

In the dinoflagellate Amphidinium carterae, photoadaptation involves changes in the transcription of genes encoding both of the major classes of light-harvesting proteins, the peridinin chlorophyll a proteins (PCPs) and the major a/c-containing intrinsic light-harvesting proteins (LHCs). PCP and LHC transcript levels were increased up to 86- and 6-fold higher, respectively, under low-light conditions relative to cells grown at high illumination. These increases in transcript abundance were accompanied by decreases in the extent of methylation of CpG and CpNpG motifs within or near PCP- and LHC-coding regions. Cytosine methylation levels in A. carterae are therefore nonstatic and may vary with environmental conditions in a manner suggestive of involvement in the regulation of gene expression. However, chemically induced undermethylation was insufficient in activating transcription, because treatment with two methylation inhibitors had no effect on PCP mRNA or protein levels. Regulation of gene activity through changes in DNA methylation has traditionally been assumed to be restricted to higher eukaryotes (deuterostomes and green plants); however, the atypically large genomes of dinoflagellates may have generated the requirement for systems of this type in a relatively “primitive” organism. Dinoflagellates may therefore provide a unique perspective on the evolution of eukaryotic DNA-methylation systems.

Characterization of the main light-harvesting chlorophyll a/b-protein complex of green alga, Bryopsis corticulans

The main light-harvesting chlorophyll a/b -protein complex (LHC II) has been isolated directly from thylakoid membranes of shiphonous green alga, Bryopsis corticulans Setch. by using two consecutive runs of anion exchange and gel-filtration chromatography. Monomeric and trimeric subcomplexes of LHC 11 were obtained by using sucrose gradient ultracentrifugation. Pigment analysis by reversed-phase high performance liquid chromatography showed that chlorophyll a (Chl a), chlorophyll b (Chl b), neoxanthin, violaxanthin and siphonaxanthin were involved in LHC 11 from B. corticulans. The properties of electronic transition of monomeric LHC II showed similarities to those of trimeric LHC II. Circular dichroism spectroscopy showed that strong intramolecular interaction of excitonic dipoles between Chl a and between Chl b exist in one LHC II apoprotein, while the intermolecular interaction of these dipoles can be intensified in the trimeric structure. The monomer has high efficient energy transfer from Chl b and siphonaxanthin to Chl a similarly to that of the trimer. Our results suggest that in B. corticulans, LHC II monomer has high ordered pigment organization that play effective physiological function as the trimer, and thus it might be also a functional organization existing in thylakoid membrane of B. corticulans.

In vitro synthesis of the light-harvesting complex into artificial membrane systems

In green plants, the function of collecting solar energy for photosynthesis is fulfilled by a series of light-harvesting complexes (LHC). The light-harvesting chlorophyll a/b protein (LHCP) is synthesized in the cytosol as a precursor (pLHCP), then imported into chloroplasts and assembled into photosynthetic thylakoid membranes. Knowledge about the regulation of the transport processes of LHCP is rather limited. Closely mimicking the in vivo situation, cell-free protein expression system is employed in this dissertation to study the reconstitution of LHCP into artificial membranes. The approach starts merely from the genetic information of the protein, so the difficult and time-consuming procedures of protein expression and purification can be avoided. The LHCP encoding gene from Pisum sativum was cloned into a cell-free compatible vector system and the protein was expressed in wheat germ extracts. Vesicles or pigment-containing vesicles were prepared with either synthetic lipid or purified plant leaf lipid to mimic cell membranes. LHCP was synthesized in wheat germ extract systems with or without supplemented lipids. The addition of either synthetic or purified plant leaf lipid was found to be beneficial to the general productivity of the expression system. The lipid membrane insertion of the LHCP was investigated by radioactive labelling, protease digestion, and centrifugation assays. The LHCP is partially protected against protease digestion; however the protection is independent from the supplemented lipids.

Differential Control of Xanthophylls and Light-Induced Stress Proteins, as Opposed to Light-Harvesting Chlorophyll a/b Proteins, during Photosynthetic Acclimation of Barley Leaves to Light Irradiance

Barley (Hordeum vulgare L.) plants were grown at different photon flux densities ranging from 100 to 1800 μmol m−2 s−1 in air and/or in atmospheres with reduced levels of O2 and CO2. Low O2 and CO2 partial pressures allowed plants to grow under high photosystem II (PSII) excitation pressure, estimated in vivo by chlorophyll fluorescence measurements, at moderate photon flux densities. The xanthophyll-cycle pigments, the early light-inducible proteins, and their mRNA accumulated with increasing PSII excitation pressure irrespective of the way high excitation pressure was obtained (high-light irradiance or decreased CO2 and O2 availability). These findings indicate that the reduction state of electron transport chain components could be involved in light sensing for the regulation of nuclear-encoded chloroplast gene expression. In contrast, no correlation was found between the reduction state of PSII and various indicators of the PSII light-harvesting system, such as the chlorophyll a-to-b ratio, the abundance of the major pigment-protein complex of PSII (LHCII), the mRNA level of LHCII, the light-saturation curve of O2 evolution, and the induced chlorophyll-fluorescence rise. We conclude that the chlorophyll antenna size of PSII is not governed by the redox state of PSII in higher plants and, consequently, regulation of early light-inducible protein synthesis is different from that of LHCII.