Biochemische Untersuchungen des Lichtsammlerprotein (LHCP) im Komplex mit seinem Chaperon, dem plastidären Signalerkennungspartikel cpSRP

Das Lichtsammlerprotein (light harvesting chlorophyll a/b-binding protein, LHCP) ist das Apoprotein des Haupt-Lichtsammelkomplexes (LHCII) und stellt das häufigste Membranprotein der Erde dar. Nicht nur aufgrund seiner Abundanz, sondern auch wegen seiner speziellen Translokation als stark hydrophobes Membranprotein durch hauptsächlich wässrige Milieus von cytosolischen Ribosomen bis in die Thylakoidmembran der Chloroplasten ist der Biogeneseweg dieses Proteins von besonderem Interesse. LHCP ist kernkodiert und wird nach seinem Import in Chloroplasten als Transitkomplex mit dem stromalen Signalerkennungsprotein (cpSRP) zur Thylakoide geleitet. Der cpSRP-Komplex besteht aus dem cpSRP43 mit Chaperonfunktion für das LHCP sowie dem Co-Chaperon cpSRP54, welches eine entscheidende Rolle in der stromalen Zielführung des Transitkomplexes spielt. Sowohl die Proteinkonformation des LHCP während seiner Biogenese als auch der in vivo Faltungsablauf während der Thylakoidinsertion sind noch völlig unklar. Mithilfe der Elektronen-paramagnetischen Resonanz (EPR-)Spektroskopie sollte in dieser Arbeit der Faltungszustand des LHCP im Transitkomplex mit dem cpSRP oder in Teilkomplexen davon ermittelt werden.rnKopplungen von cpSRP43 und LHCP bestätigten, dass das Chaperon als Minimaleinheit zur quantitativen Solubilisierung des Membranproteins genügt. Gelfiltrationschromatographische (GFC-) Untersuchungen solcher Komplexe wiesen jedoch mit einem apparenten MW von ≥ 600 kDa ein sehr hochmolekulares Laufverhalten auf. Variierende Proteinstöchiometrien im Komplex zeigten in densitometrischen Auswertungen eine undefinierte Aggregation. Zusätze von Agenzien zur Vermeidung unspezifischer Wechselwirkungen wie z.B. Detergentien oder auch Salzzugabe zeigten keinen Einfluss auf die Aggregate. Volllängen-Transitkomplexe dagegen wiesen trotz unterschiedlichem Angebot von Einzelproteinen reproduzierbar definierte Stöchiometrien auf. Diese zeigten eine LHCP:cpSRP43-Stöchiometrie von 1,25. Dennoch hatten diese Komplexe mit einem apparenten MW von > 300 kDa einen mindestens dimeren Assemblierungsgrad. Eine Voraussetzung für eindeutige EPR-spektroskopische Distanzmessungen zwischen definierten Positionen im LHCP ist jedoch dessen monomolekularisiertes Vorliegen im Chaperonkomplex. Die Darstellung von ternären Transitkomplexen mit einem zu erwartenden apparenten MW von ~175 kDa war auch durch Zusatz verschiedener Proteinaggregationshemmer nicht möglich. Transitkomplexe mit einer verkürzten Version des cpSRP54 zeigten schließlich eine definierte 1:1-Komplexstöchiometrie bei gleichzeitiger polydisperser Komplexzusammensetzung. Es konnten ~60% dieser sogenannten 54M-Transitkomplexe nach GFC-Daten und densitometrischer Auswertung als potentiell ternär eingeschätzt werden. Darüber hinaus gelang es solche Ansätze durch GFC-Fraktionierung zusätzlich von oligomerisierten Spezies aufzureinigen. Dennoch zeigten die Präparate vor GFC-Fraktionierung ein (noch) zu hohes Aggregationssignal im Hintergrund und nach Fraktionierung ein zu schwaches Signal, um eine eindeutige Aussage der EPR-Daten zuzulassen. Dennoch bietet dieses ausgearbeitete Komplexbildungsprotoll in Verbindung mit der Verwendung von verkürztem cpSRP54 eine solide Basis, um weitere Versuche zu EPR-Messungen an cpSRP-gebundenem LHCP durchzuführen. rn

GERp95, a Membrane-associated Protein that Belongs to a Family of Proteins Involved in Stem Cell Differentiation

A panel of mAbs was elicited against intracellular membrane fractions from rat pancreas. One of the antibodies reacted with a 95-kDa protein that localizes primarily to the Golgi complex or the endoplasmic reticulum (ER), depending on cell type. The corresponding cDNA was cloned and sequenced and found to encode a protein of 97.6 kDa that we call GERp95 (Golgi ER protein 95 kDa). The protein copurifies with intracellular membranes but does not contain hydrophobic regions that could function as signal peptides or transmembrane domains. Biochemical analysis suggests that GERp95 is a cytoplasmically exposed peripheral membrane protein that exists in a protease-resistant complex. GERp95 belongs to a family of highly conserved proteins in metazoans and Schizosaccharomyces pombe. It has recently been determined that plant and Drosophila homologues of GERp95 are important for controlling the differentiation of stem cells (Bohmert et al., 1998; Cox et al., 1998; Moussian et al., 1998). In Caenorhabditis elegans, there are at least 20 members of this protein family. To this end, we have used RNA interference to show that the GERp95 orthologue in C. elegans is important for maturation of germ-line stem cells in the gonad. GERp95 and related proteins are an emerging new family of proteins that have important roles in metazoan development. The present study suggests that these proteins may exert their effects on cell differentiation from the level of intracellular membranes.

THE IDENTIFICATION AND CHARACTERIZATION OF AN INNER ACROSOMAL MEMBRANE ASSOCIATED PROTEIN, IAM38, RESPONSIBLE FOR SECONDARY SPERM-ZONA BINDING DURING FERTILIZATION

During mammalian fertilization, the exposure of the inner acrosomal membrane (IAM) after acrosomal exocytosis is essential for the secondary binding between sperm and zona pellucida (ZP) of the oocyte, a prerequisite for sperm penetration through the ZP. The identification of the sperm protein(s) responsible for secondary binding has posed a challenge for researchers. We were able to isolate a sperm head fraction in which the IAM was exposed. Attached to the IAM was an electon dense layer, which we termed the IAM extracellular coat (IAMC). The IAMC was also observable in acrosome reacted sperm. High salt extraction removed the IAMC including a prominent 38 kDa polypeptide, referred to as IAM38. Antibodies raised against IAM38 confirmed its presence in the IAMC of intact, sonicated, and acrosome-reacted sperm. Sequencing of IAM38 revealed it as the ortholog of porcine SP38, a protein that was found to bind specifically to ZP2 but whose intra-acrosomal location was not known. We showed that IAM38 occupied the leading edge of sperm contact with the zona pellucida during fertilization, and that secondary binding and fertilization were inhibited in vitro by antibodies directed against IAM38. As for the mechanism of secondary sperm-zona binding by IAM38, we provided evidence that the synthetic peptide derived from the ZP2-binding motif of IAM38 had a competitive inhibitory effect on both sperm-zona binding and fertilization while its mutant form was ineffective. In summary, our study provides a novel approach to obtain direct information on the peripheral and integral protein composition of the IAM and consolidates IAM38 as a genuine secondary sperm-zona binding protein. In addition, our investigation also provides an ultrastructural description of the origin, expression and assembly of IAM38 during spermatogenesis. It shows that IAM38 is originally secreted by the Golgi apparatus as part of the dense contents of the proacrosomic granules but later, during acrosome capping phase of spermiogenesis, is redistributed to the inner periphery of the acrosomal membrane. This relocation occurs at the time of acrosomal compaction, an obligatory structural change that fails to occur in Zpbp1-/- knockout mice, which do not express IAM38 and are infertile.

Structure, processing and midgut secretion of putative peritrophic membrane ancillary protein (PMAP) from Tenebrio molitor larvae

A cDNA coding for a Tenebrio molitor midgut protein named peritrophic membrane ancillary protein (PMAP) was cloned and sequenced. The complete cDNA codes for a protein of 595 amino acids with six insect-allergen-related-repeats that may be grouped in A (predicted globular)- and B (predicted nonglobular)-types forming an ABABAB structure. The PMAP-cDNA was expressed in Pichia pastoris and the recombinant protein (64 kDa) was purified to homogeneity and used to raise antibodies in rabbits. The specific antibody detected PMAP peptides (22 kDa) in the anterior and middle midgut tissue, luminal contents, peritrophic membrane and feces. These peptides derive from PMAP, as supported by mass spectrometry, and resemble those formed by the in vitro action of trypsin on recombinant PMAP. Both in vitro and in vivo PMAP processing seem to occur by attack of trypsin to susceptible bonds in the coils predicted to link AB pairs, thus releasing the putative functional AB structures. The AB-domain structure of PMAP is found in homologous proteins from several insect orders, except lepidopterans that have the apparently derived protein known as nitrile-specifier protein. Immunocytolocalization shows that PMAP is secreted by exocytosis and becomes entrapped in the glycocalyx, before being released into midgut contents. Circumstantial evidence suggests that PMAP-like proteins have a role in peritrophic membrane type 2 formation. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Study on the fouling phenomena of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membrane by protein and yeast

This sub-collection is the result of an investigation into the mechanism of organic fouling in membrane filtration processes. In this experiment, poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membranes were used to filter two types of organic foulants, protein and yeast with a concentration of 50mg/l and 20 mg/l, respectively, from suspension in a dead-end filtration cell. These model foulants were stained with fluorescent dyes before filtration. This dataset contains a stack of images of the fouling layer on the PVDF membrane surface captured by a confocal laser scanning microscope (CLSM) and its associated acquisition software. This dataset would be useful to researchers who are investigating the membrane organic fouling mechanism so that new membrane materials and new anti-fouling surface treatment technologies can be developed for water and wastewater industry in the future.

Study on the fouling phenomena of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membrane by protein and sodium alginate

This sub-collection is the result of an investigation into the mechanism of organic fouling in membrane filtration processes. In this experiment, poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membranes were used to filter two types of organic foulants, protein and sodium alginate with a concentration of 50mg/l and 40 mg/l, respectively, from suspension in a dead-end filtration cell. These model foulants were stained with fluorescent dyes before filtration. This dataset contains a stack of images of the fouling layer on the PVDF membrane surface captured by a confocal laser scanning microscope (CLSM) and its associated acquisition software. This dataset would be useful to researchers who are investigating the membrane organic fouling mechanism so that new membrane materials and new anti-fouling surface treatment technologies can be developed for water and wastewater industry in the future.

Study on the fouling phenomena of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membrane by protein, yeast and sodium alginate

This sub-collection is the result of an investigation into the mechanism of organic fouling in membrane filtration processes. In this experiment, poly(vinylidene fluoride) (PVDF) membranes were used to filter three types of organic foulants, yeast, protein and sodium alginate with a concentration of 50mg/l, 40mg/l and 20 mg/l, respectively, from suspension in a dead-end filtration cell. These model foulants were stained with fluorescent dyes before filtration. This dataset contains a stack of images of the fouling layer on the PVDF membrane surface captured by a confocal laser scanning microscope (CLSM) and its associated acquisition software. This dataset would be useful to researchers who are investigating the membrane organic fouling mechanism so that new membrane materials and new anti-fouling surface treatment technologies can be developed for water and wastewater industry in the future .

Das wasserlösliche Chlorophyll-Protein (WSCP): biochemische Charakterisierung und Untersuchungen zur biologischen Funktion

Das WSCP (water-soluble chlorophyll protein) der Brassicaceen ist das einzig bekannte Chlorophyll-bindende Protein, welches keine Carotinoide bindet. Es ist ein wasserlösliches, ca. 80 kDa großes Homotetramer mit 1-4 gebundenen Chlorophyllen. Das Protein ist äußerst stabil und vermag die gebundenen Chlorophylle vor Photooxidation zu schützen. Seine Funktion in der Pflanze ist bis heute ein Rätsel und sollte in dieser Arbeit zusammen mit seinen biochemischen Eigenschaften weiter aufgeklärt werden. Es wurden Versuche durchgeführt mit nativem und rekombinantem WSCP aus Blumenkohl (BoWSCP bzw. BoWSCPhis) und aus Arabidopsis thaliana (AtWSCP bzw. AtWSCPhis). Die Expressionsausbeute von BoWSCPhis konnte verbessert werden und zusätzlich wurde die Rekonstitutionsmethode für das rekombinante WSCP optimiert, sodass das pigmentierte Protein mit hoher Ausbeute und großer Reinheit gewonnen werden konnte. Zudem wurde ein neuer WSCP-Klon hergestellt, mBoWSCPhis, der in seiner Sequenz dem maturen nativen BoWSCP entspricht und weitaus weniger Aggregationsprobleme zeigte als BoWSCPhis. Weiterführende Versuche zur Stabilität und dem Oligomerisierungsgrad von WSCP haben die neue Erkenntnis erbracht, dass die Phytolschwänze der von WSCP gebundenen Chlorophylle zwar essentiell sind für die Stabilität von WSCP-Oligomeren, nicht aber für die Oligomerisierung selbst, wie es in der Literatur bislang postuliert wurde. Zusätzlich zu ihrer außerordentlichen Hitzestabilität erwiesen sich die Chl-WSCP-Komplexe als stabil in einem breiten pH-Spektrum. AtWSCPhis besaß eine vergleichbare Stabilität, und auch das Oligomerisierungsverhalten zeigte Ähnlichkeiten zu BoWSCPhis. Im Rahmen einer Forschungskooperation mit dem Institut für Optik und Atomare Physik der TU Berlin wurden zeitaufgelöste Absorptionsspektren sowie Tieftemperatur-Fluoreszenzspektren an Chl-WSCP-Komplexen gemessen. Die Ergebnisse zeigten deutlich, dass die WSCP-gebundenen Chlorophylle excitonisch gekoppelt sind und wiesen zudem auf unterschiedliche Chl-Bindungsmodi hin. Aufgrund seines einfachen Aufbaus und seines geringen Chlorophyllgehalts hat sich WSCP bei diesen Versuchen als sehr geeignetes Modellsystem erwiesen, um Messungen zur Chlorophyllbindung mit Vorhersagen aus theoretischen Modellen zu vergleichen. Bei den Experimenten zur biologischen Funktion wurden einerseits Arabidopsis thaliana WSCP-„knock-out“-Pflanzen unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert, andererseits wurden Experimente mit rekombinantem WSCP durchgeführt, um eine mögliche Interaktion mit anderen Proteinen zu detektieren. Die vegetativen Stadien der Mutante zeigten keinen Phänotyp; das native Arabidopsis-WSCP konnte später bei der Wildtyp-Pflanze ausschließlich in jungen Schoten lokalisiert werden, was eine Erklärung hierfür lieferte. Rekombinantes WSCP konnte Chlorophylle aus nativem LHCII entfernen, eine Interaktion mit Chlorophyllase konnte jedoch nicht nachgewiesen werden; daher konnte auch die Hypothese, WSCP sei ein Chl-Carrier beim Chl-Abbau, nicht untermauert werden. Bei den durchgeführten Enzym-Assays wurde eine geringfügige Inhibition der Cysteinprotease Papain beobachtet, aber keine Inhibition der Serinprotease Trypsin, obwohl Blumenkohl-WSCP N-proximal das Motiv der Künitz-Proteaseinhibitoren besitzt. Die Frage nach der biologischen Funktion von WSCP bleibt also weiterhin offen.

Functional and Evolutionary Analysis of the CASPARIAN STRIP MEMBRANE DOMAIN PROTEIN Family

CASPARIAN STRIP MEMBRANE DOMAIN PROTEINS (CASPs) are four-membrane-span proteins that mediate the deposition of Casparian strips in the endodermis by recruiting the lignin polymerization machinery. CASPs show high stability in their membrane domain, which presents all the hallmarks of a membrane scaffold. Here, we characterized the large family of CASP-like (CASPL) proteins. CASPLs were found in all major divisions of land plants as well as in green algae; homologs outside of the plant kingdom were identified as members of the MARVEL protein family. When ectopically expressed in the endodermis, most CASPLs were able to integrate the CASP membrane domain, which suggests that CASPLs share with CASPs the propensity to form transmembrane scaffolds. Extracellular loops are not necessary for generating the scaffold, since CASP1 was still able to localize correctly when either one of the extracellular loops was deleted. The CASP first extracellular loop was found conserved in euphyllophytes but absent in plants lacking Casparian strips, an observation that may contribute to the study of Casparian strip and root evolution. In Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), CASPL showed specific expression in a variety of cell types, such as trichomes, abscission zone cells, peripheral root cap cells, and xylem pole pericycle cells.