Intracellular protein transport in plants: signal peptides, molecular chaperones and proteolysis


Project leader


Funding source

Swedish Research Council - Vetenskapsrådet (VR)


Project Details

Start date: 01/09/2013
End date: 31/12/2016
Funding: 3000000 SEK


Description

Arvsmassan i en växtcell befinner sig i tre skilda avdelningar, i kärnan, i mitokondrierna och i kloroplasterna. Trots att både mitokondrier och kloroplaster innehåller maskinerier för att bygga nya proteiner, syntetiseras de flesta av deras proteiner i cytosolen. För att kunna sorteras till rätt intracellulär destination är proteiner utrustade med molekylära signaler som fungerar som adresslappar. Förutom dessa finns det i cellens distributionsverk molekylära transportörer, receptorer och molekylära chaperoner som förhindrar ogynnsamma protein-protein interaktioner och ökar systemets effektivitet. Inom det aktuella projektet studerar vi hur proteiner i växter sorteras till olika cellulära avdelningar, hur adresslappen klipps bort och hur det mogna proteinet sätts ihop med andra proteiner till stora funktionella proteinkomplex. För att studera detta använder vi biokemiska, molekylärbiologiska och biofysikaliska metoder i kombination med nya landvinningar inom genomforskning och bioinformatik. Projektet innefattar följande angreppspunkter: 1) Vi använder ett in vitro, semi in vivo och in vivo protein importsystem till mitokondrier och kloroplaster med Green Fluorescence Protein (GFP) för att studera protein sortering mellan organeller. 2) En global sekvenssamling och analys av mitokondriella och kloroplastiska adresslappar har möjliggjort studier av determinanter för import och processning och visat att dessa även innehåller bindningsställen för molekylära chaperoner. 3) Vi undersöker proteiner som kodas av en enkel gen men importeras till både mitokondrier och kloroplaster, proteiner med dubbel intracellulär lokalisering. Våra studier påvisade domänstruktur med varierande importspecificitet hos adresslappar för några av dessa proteiner, ett nytt koncept för proteinsortering. 4) De avklippta adresslapparna är toxiska för cellen eftersom de kan förstöra biologiska membraner. Vi har för första gången lyckats identifiera ett metalloproteas PreP som bryter ner adresslappar och även andra peptider, dvs. det städar oönskade och toxiska peptider i organeller. Detta metalloproteas har dubbel lokalisering och utövar sin funktion både i mitokondrier och i kloroplaster. Vi har bestämt tredimensionell struktur av PreP och upptäckt en ny proteolytisk mekanism för den typen av proteaser. Framställning av transgena Arabidopsis växter som saknar detta proteas har påvisat rubbningar i växtens utveckling och allmänt sämre produktion av biomassa. 5) Vi har också helt oväntat påvisat samband mellan PreP och Alzheimers sjukdom genom att visa att PreP är det proteas som ansvarar för degradering av amyloid beta-peptiden, som är associerad med sjukdomen, i mitokondrier. Våra resultat påvisade dessutom minskad PreP aktivitet i hjärnan hos Alzheimerspatienter och i transgena musmodeller, vilket sammanfaller med en ökad produktion av reaktiva syreradikaler. 6) Nyligen har vi identifierat ett nytt proteas i Arabidopsis, organell oligopeptidas 79, OOP79, som degraderar kortare peptider och har en funktion i organell kvalitetskontroll. Vi kommer att fortsätta våra undersökningar med tonvikt på studier av detaljerade mekanismer för protein import, sortering och nedbrytning. Vi kommer att studera signalpeptider, determinanter för import och sortering med prekursorer av enkel och dubbel intracellulär lokalisering. Prekursorer, deras mutanter och chimera prekursorkonstruktioner med GFP kommer att undersökas in vivo genom temporär expression av dessa konstruktioner i växter. Med Arabidopsis mutanter kommer vi undersöka cytosoliska molekylära chaperoner som påverkar proteiners väg till den korrekta cellulära importenheten. Vi kommer att utforska proteolytiska enzymsystem, PreP och OOP79, som katalyserar nedbrytning av avklippta signalpeptider och andra toxiska peptider. Vi kommer att studera i Arabidopsis mutanter de nya metalloproteasernas roll i organella kvalitetskontrollmekanismer och i regleringsprocesser. Koppling av PreP till Alzheimers sjukdom och andra mitokondriella dysfunktioner föranleder vidare studier av PreP i humana cellkulturer, oxidativ inaktivering av PreP samt dess nedreglering (siRNA) och överexpression och följaktligen studier av effekter på mitokondriella funktioner.

Last updated on 2017-31-03 at 12:57