Chloroplasten und Mitochondrien sind Organellen endosymbiotischen Ursprungs und stammen von ehemals unabhängig freilebenden Organismen ab. Im Zuge der Entwicklung haben sie einen Großteil ihrer Autonomie eingebüßt und wurden in die umgebenden Wirtszelle intergriert. Heutzutage finden in Chloroplasten und Mitochondrien essentielle Zellfunktionen statt, daher wird die Biogenese und Funktion der Organellen eng mit dem Entwicklungszustand und den Bedürfnissen der Gesamtzelle koordiniert. In diesem Zusammenhang untersuchen wir zentrale zellbiologische Aspekte der Organellenbiogenese und der Einbindung endosymbiotischer Organellen in das Calcium-Signalnetzwerk.
Unsere Forschung wird gefördert im Rahmen von:
ITN 'COSI'
ERA-PG 'CROPP'
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1) Calcium-Regulation in Chloroplasten und Mitochondrien
Calcium ist ein bedeutender Botenstoff in eukaryotischen Zellen und insbesondere Umweltsignale werden häufig über Calcium-Signale an die verschiedensten zellulären Prozesse weitergegeben. Dabei werden spatiale und temporäre Änderungen der Calciumkonzentration von einer Reihe spezifischer Sensoren wahrgenommen, u.a. durch Calmodulin. In unseren Untersuchungen konnten wir zeigen, dass Calcium/Calmodulin zentrale chloroplastidäre und mitochondriale Prozesse reguliert. Diese Ergebnisse untermauern die Einbindung endosymbiotisch entstandener Organellen in das durch Ca2+/Calmodulin gebildete regulatorische Netzwerk der Zelle. Die recht hohe Anzahl der im Genom von Arabidopsis kodierter Calmoduline und Calmodulin-ähnlicher Proteine lässt darauf schließen, dass eine solche Regulation für eine Vielzahl pflanzlicher Prozesse eine Rolle spielt. Ziel unserer Forschung ist es die molekularen Grundlagen der Calcium/Calmodulin Regulation in der Biogenese und Funktion der Chloroplasten und Mitochondrien aufzuklären.
2) Funktionelle und regulatorische Komponenten der Chloroplastenbiogenese
Als strukturelles Grundgerüst der oxygenen Photosynthese stellt die Thylakoidmembran eine wesentliche Komponente der Architektur des Chloroplasten dar und spielt eine essentielle Rolle für dessen Funktion und Entwicklung. Trotz der immensen Bedeutung der Thylakoide ist die Entstehung, Aufrechterhaltung und Anpassung dieser Membran jedoch noch immer sehr wenig verstanden. Das Vipp1 Protein ist eine prokaryotische Komponente, welche für die Thylakoidbiogenese in Cyanobakterien und Chloroplasten essentiell ist. Vipp1 stammt vom sogenannten Phagenschockprotein PspA ab, welches in Bakterien weit verbreitet ist und bei der Zellantwort auf Phagen-Schock und anderen Stressbedingungen eine wichtige Rolle für die Erhaltung der Integrität der Zellmembran spielt. Beide Proteine zeichnen sich insbesondere durch die Bildung eines großen, membran-assoziierten, homo-oligomerischen Komplexes aus, welcher für ihre Funktion essentiell ist. Wir untersuchen vergleichend zu PspA den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion von Vipp1, sowie die Bedeutung von Vipp1 für die Thylakoidbiogenese.
Im Laufe der Evolution hat der Chloroplast auch Komponenten eukaryotischen Ursprungs in seine Funktionen integriert, u.a. ein an der Thylakoidbiogenese beteiligtes chloroplastidäres Vesikeltransportsystem. Die molekulare Charakterisierung dieses neuartigen Transportsystems ermöglicht Einblicke in die evolutionäre Anpassung des Chloroplasten. Dabei untersuchen wir u.a. die Rolle verschiedener P-loop NTPasen. Zwei organell-lokalisierte, Calmodulin-bindende AAA*-ATPasen stellen dabei eine interessante Verbindung zum Calcium-Signalnetzwerks der Zelle dar.
