Entschlüsselung der dualen Funktion des NAD-Malatenzyms: von der universellen Rolle in der Malat-Respiration zur spezifischen Funktion in der C4-Photosynthese

• Antragstellerin: Professorin Dr. Veronica Maurino
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392217267

In der C3 Pflanze A. thaliana akkumulieren die während der Photosynthesephase hergestellte Malat-Reserven in der Vakuole, bis eine metabolische Mangelsituation auftritt. Nachts wird Malat in den Mitochondrien umgesetzt, um den TCA Zyklus aufrecht zu erhalten und das Reservoir der TCA Zyklus Intermediate wiederaufzufüllen. Diese Funktion wird gemeinsam durch die enzymatische Aktivität des NAD-abhängigen Malatenzyms (NAD-ME) und der Malatdehydrogenase erfüllt. Zusätzlich zu der Rolle in der Malatrespiration wurde das NAD-ME in einigen Pflanzen, die C4 Photosynthese betreiben, in den Bündelscheidezellen zur CO2-Bereitstellung für den Calvinzyklus rekrutiert. Das ausschließlich in den Mitochondrien lokalisierte NAD-ME katalysiert die oxidative Decarboxylierung von Malat zu Pyruvat und CO2 sowie die Reduktion von NAD zu NADH. Bis heute wurde keine NAD-ME Isoform gefunden, die ausschließlich im C4 Metabolismus involviert ist. Dies wirft die Frage auf, ob NAD-ME eine Doppelfunktion in C4 Pflanzen hat oder eine spezielle C4 Isoform existiert. Genduplikation wäre eine Voraussetzung, um eine C4 Variante für den C4 Metabolismus evolvieren zu können, da es der Pflanze ermöglichen würde das ursprüngliche Gen beizubehalten währen das Duplikat vorteilhafte Änderungen erfährt. Interessanterweise gab es in den Cleome Arten T. hassleriana (C3) und G. gynandra (C4) eine Genomverdopplung, die vor etwa 13.7 Millionen Jahren auftrat. Bezogen auf den Fall von NAD-ME wurde in beiden Cleome Arten eine Genverdopplung für die NAD-ME Beta-Untereinheit gefunden. Daher stellen wir die Hypothese auf, dass diese Verdopplung der NAD-ME Beta-Untereinheit ein entscheidendes evolutionäres Ereignis war, das die wiederholte Entwicklung der NAD-ME gestützten C4 Photosynthese innerhalb dieses Genus ermöglicht hat.In diesem Projekt werden wir den evolutionären Übergang von NAD-ME von einem mit dem TCA Zyklus assoziierten Enzym zur C4 Decarboxylase in den Bündelscheidezellen mit Hilfe von Modellorganismen des Genus Cleome untersuchen. Unser Hauptziel ist es den Mechanismus der NAD-ME Rekrutierung in den C4 Photosyntheseweg zu beschreiben. Um damit verbundenen Fragestellungen zu beantworten, schlagen wir eine kombinierte Vorgehensweise vor, die Protein-biochemische Methoden (Proteomics, Enzymatik, Strukturanalysen), in vivo Mutanten-Komplementationsansätze, Transkriptionsanalysen sowie immunohistochemische und phylogenetische Analysen verbindet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen