Quelle Nummer 120

Rubrik 22 : BIOLOGIE   Unterrubrik 22.00 : BIOLOGIE

MIKROBIOLOGIE
KLAUS APEL
KERNDETERMINIERTE SYNTHESE VON "UNLOESLICHEN"
CHLOROPLASTENPROTEINEN IN ACETABULARIA, DISSERTTATION
ZUR ERLANGUNG DES DOKTORGRADES DES FACHBEREICHS BIO-
LOGIE DER UNIVERSITAET HAMBURG, VORGELEGT VON KLAUS
APEL AUS SCHWERIN
HAMBURG 1970, S. 45-53


001  DISKUSSION. Bisherige Untersuchungen über die
002  Autonomie der Proteinsynthese in Chloroplasten waren zum größten
003  Teil in ihrer Aussagekraft begrenzt. Bei der vorliegenden Arbeit
004  ließen sich die Schwierigkeiten durch die Wahl des
005  Untersuchungsobjektes und durch die benutzten Untersuchungsmethoden
006  weitgehend überwinden. Im einzelnen müssen folgende Punkte
007  hervorgehoben werden: Chloroplasten wurden durch schonendes
008  Zentrifugieren gewonnen. Eine mechanische Schädigung der
009  Chloroplasten kann unter diesen Bedingungen weitgehend
010  ausgeschlossen werden. Verunreinigungen mit Bakterien ließen
011  sich durch das Auszentrifugieren des Zellplasmas so einschränken,
012  daß sie die Ergebnisse von Inkorporationsexperimenten nicht
013  beeinflussen. Verunreinigungen durch Kerne oder Kernfragmente
014  konnten durch Abschneiden des Rhizoids mit absoluter Sicherheit
015  ausgeschlossen werden. Aus Chloroplasten wurde eine schwer
016  lösliche Proteinfraktion isoliert. Damit konnte die Lösung des
017  Problems der Lokalisierung erleichtert werden, das sich vor allem
018  bei Arbeiten mit löslichen Proteinen als schwierig erwiesen hat.
019  Plasmareste, die nach dem Auszentrifugieren noch an der
020  Oberfläche der Chloroplasten anheften können, sollten durch das
021  wiederholte Waschen und Schütteln der Chloroplastenfraktion sowie
022  durch die Detergentienbehandlung mit Triton-X-100
023  vollständig abgelöst werden. Mitochondrien werden durch die
024  gleiche Behandlung und unter den benutzten
025  Zentrifugationsbedingungen von der Chloroplastenfraktion abgetrennt.
026  Es wurde eine Methode für die Isolierung gefunden, durch
027  die Schwankungen in der Zusammensetzung der
028  Chloroplastenproteinfraktion einer Art vermieden wurden. Damit
029  wird ein Vergleich zwischen verschiedenen Arten möglich. Der
030  Kerneinfluß konnte in Acetabularia durch hetorologe
031  Kerntransplantationsversuche bzw.
032  Kernimplantationsversuche direkt nachgewiesen werden. Die
033  Proteine der Chloroplasten lassen sich in wasserlösliche und in
034  wasserlösliche einteilen. Die hier untersuchten " unlöslichen "
035  Chloroplastenproteine dürften am Aufbau von
036  Chloroplastenmembranen beteiligt sein (Bailey et al., 1966)
037  und können somit als Membranproteine bezeichnet werden. Ein
038  besonderes Problem bei der Isolierung der Chloroplastenproteine
039  stellt die Tatsache dar, daß mit dem Zellplasma der Vakuolensaft
040  auszentriefugiert wird. Dabei schwankt der pH-Wert bei
041  verschiedenen Kulturen zwischen 3,4 und 4,0. Darüber
042  hinaus ist mit den Schwankungen des pH-Wertes wahrscheinlich
043  auch eine Veränderung in der Ionenzusammensetzung verbunden.
044  Beide Parameter beeinflussen die Löslichkeit der Proteine. Um
045  Veränderungen in der Zusammensetzung der Membranproteine zu
046  vermeiden, sind deshalb besondere Vorkehrungen zu treffen, damit
047  die Bedingungen konstant gehalten werden. Dazu wurde der pH-
048  Wert des Citrat-Phosphat-Puffers so eingestellt, daß er
049  nicht wesentlich vom durchschnittlichen pH-Wert der Cytoplasma
050  -Vakuolensaft-Mischung abweicht. Die Pufferkapazität in
051  diesem Bereich ist groß genug, um pH-Schwankungen des
052  Pflanzeninhalts auszugleichen. Mögliche Veränderungen in der
053  Ionenzusammensetzung können durch einen vierzigfachen Überschuß
054  an Citrat-Phosphat-Puffer hoher Konzentration (3,2
055  M) ausgeglichen werden. Eine wichtige Voraussetzung für die
056  Bearbeitung des umrissenen Problems war die Tatsache, daß
057  Unterschiede zwischen zwei Species von Acetabularia
058  gefunden werden konnten. Im Auftrennungsmuster der gelösten
059  Membranproteine aus A. mediterranea und A.
060  calyculus liegen neben einer Anzahl identischer Banden auch
061  mehrere Proteine vor, die als artspezifisch angesehen werden
062  müssen. Biedermann und Drews (1968) lösten die
063  Thylakoidproteine von Purpurbakterien und fanden nach
064  elektrophoretischer Auftrennung für jede der untersuchten Arten
065  ein artspezifisches Proteinmuster, Mani und Zalik (1970)
066  trennten eine Proteinfraktion aus Chloroplastenmembranen von
067  Phaseolus und Triticum elektrophoretisch auf und wiesen
068  ebenfalls artspezifische Muster nach. Abweichend von diesen
069  Befunden fanden Braunitzer und Bauer-Stäbe (1969) beim
070  Vergleich der Chloroplastenmembranproteine aus einer Monokotylen,
071  einer Dikotylen und einer Grünalge keine wesentlichen
072  Unterschiede. Nur das Proteinmuster einer Blaualge ist anders
073  aufgebaut. Man muß allerdings hinzufügen, daß die Auftrennung
074  unter diesen Bedingungen nur 3 Komponenten erkennen ließ,
075  während in den hier beschriebenen Experimenten mindestens 12
076  Banden getrennt wurden. Es wurde angenommen, daß bei allen
077  Pflanzen mit Ausnahme der Schizophyta die chemische Struktur des
078  Photosyntheseapparates grundsätzlich gleich ist. Durch den
079  Nachweis artspezifischer Chloroplastenproteine in Acetabularia
080  war es möglich, mit Hilfe heterologer Kerntransplantionen bzw.
081  Implatationen den Einfluß der Kern-DNS und der
082  Cloroplasten-DNS auf die Bildung dieser Proteine zu
083  überprüfen. In einer Reihe von Transplantationsversuchen wurden
084  Rhizoide von A. mediterranea auf kernlose Hinterstücke
085  von A. calyculus und umgekehrt Rhizoide von A.
086  calyculus auf kernlose A. mediterranea-
087  Hinterstücke übertragen. Nach 6 Wochen hatte sich in den
088  Transplantaten das Muster der Chloroplastenproteine in der Weise
089  verändert, daß sie dann der Art des Zellkernes entsprachen.
090  Die Chloroplastenproteine folgten damit, soweit es auf Grund der
091  Artspezifität geprüft werden konnte, jenen Gesetzen, die
092  Hämmerling bereits 1935 für die morphogenetischen Fähigkeiten
093  von Acetabularia-Zellen beschrieben hatte und wie sie
094  auf dem molekularen Niveau für die löslichen Chloropastenproteine
095  Malatdehydrogenase und Lactatdehydrogenase gefunden worden waren
096  (Reuter und Schweiger, 1969; Schweiger et al., 1967). Es
097  kann als gesichert angenommen werden, daß die Veränderung im
098  Muster der unlöslichen Chloroplastenproteine sowohl in den
099  Transplantationsexperimenten als auch in den
100  Implantationsexperimenten auf den Zellkern zurückzuführen sind.
101  Im einzelnen spricht folgendes dafür: Da während der
102  Isolierung der Chloroplastenproteine Schwankungen in der
103  Zusammensetzung des Mediums ausgeschlossen sind, kann die
104  Änderung im Proteinmuster nicht auf eine Veränderung z.B.
105  der Proteinlöslichkeit zurückgeführt werden. Gegen den
106  Einfluß äußerer Fraktoren spricht ebenfalls, daß die
107  Zusammensetzung der Membranproteine in verschiedenen Proben einer
108  Transplantat-Kombination gleich ist. Da neben dem
109  Zellkern auch andere Komponenten mit dem Rhizoidtransplantiert
110  werden, könnte man einwenden, daß die beobachtete Verändrung
111  der Chloroplastenproteine möglicherweise durch diese Anteile
112  hervorgerufen wird. In einer Reihe von Implantationsexperimenten,
113  in denen nicht das Rhizoid, sondern nur der weitgehend gereinigte
114  Kern übertragen wurde, wird dieses Argument ausgeschlossen. Die
115  Auftragsmuster der (Formel)-Implantate und der (Formel)-
116  Implantate gleichen jenen der entsprechenden Transplantate.
117  Der Einfluß des Kernes wird durch folgende Beobachtung eindeutig
118  nachgewiesen: Das in den Transplantaten nach 6 Wochen
119  auftretende Muster enspricht vollkommen jenem der Art, von der das
120  Rhizoid stammt. So geht z. B. im (Formel)-Transplantat das
121  ursprüngliche A. mediterranea-Muster der
122  Chloroplastenproteine in voraussagbarer Weise nach ungefähr 6
123  Wochen in ein A. calyculus-Muster über. Im
124  Proteinmuster der Transplantate sind nach 6 Wochen alle
125  ursprünglichen, artspezifischen Proteine durch solche ersetzt
126  worden, die vom eingepflanzten Kern kodiert werden. Mit dieser
127  Beobachtung stimmen andere experimentelle Ergebnisse überein, die
128  zeigen, daß nach einer solchen Zeitspanne zu mindest der
129  überwiegende Teil der Chloroplasten und damit auch der
130  Chloroplasten-Proteine in der Zelle neu gebildet werden. So
131  befinden sich in kernhaltigen Hinterstücke von A.
132  mediterranea (11 mm Stiellänge) ungefähr (Formel) Chloroplasten.
133  Nach 28 Tagen ist das Hinterstück auf die dreifache Länge
134  gewachsen. Gleichzeitig mit diesem Längenwachszum hat sich die
135  Anzahl der Chloroplasten ungefähr um das Vierfache auf (Formel)
136  vermehrt (Clauss et al., 1970; ähnliche Resultate bei
137  Shephard, 1965). Mit der Vermehrung der Chloroplasten nimmt
138  auch die Menge der Chloroplastenproteine stark zu. In
139  kernhaltigen Zellen, die innerhalb von 28 Tagen von 18 mm auf 34
140  mm ausgewachsen sind, steigt die Menge der Chloroplastenproteine
141  pro Zelle von 8 *ymr g Protein um das Fünfache auf 41 *ymr g an
142  (Clauss, 1958). Überträgt man diese Beobachtungen auf die
143  Transplantate, so zeigt sich, daß in den ausgewachsenen
144  Transplantaten nach 6 Wochen die überwiegende Mehrheit der
145  Membranproteine in Chloroplasten vom eingepflanzten, heterologen
146  Kern determiniert worden sein muß. Als mögliches Argument gegen
147  diese Deutung könnte der Hinweis gelten, daß neben dem
148  eingepflanzten Kern ein Teil der Proteinsynthese auch weiterhin
149  durch die vom ursprünlichen Kern stammende m-RNS gesteuert
150  werden könnte. Während jedoch in Zellstücken auch nach der
151  Kernentfernung die Synthese kernabhängiger Proteine über die
152  stabilen m-RNS-Moleküle weiterläuft, konnte gezeigt
153  werden, daß unter dem Einfluß des eingepflanzten, heterologen
154  Kernes die bereits vorhandenen m-RNS-Moleküle im
155  Transplantat abgebaut werden (Reuter und Schweiger, 1969;
156  Schweiger et al., 1967). Man muß davon ausgehen, daß unter
157  der Steuerung des Kernes neben der Neubildung von
158  Zellbestandteilen auch die am Aufbau der schon vorhandenen
159  Strukturen beteiligten Moleküle mit einem bestimmten turnover
160  gegen neu synthetisierte Komponenten ausgetauscht werden. Aus der
161  Einbauhöhe radioaktiv markierter Arminosauren läßt sich grob die
162  Anzahl aller neu gebildeten Proteine abschätzen. Nach
163  einstündiger Inkubation mit (Formel)-Leucin (Spez. Akt.:
164  6,6 mC pro mM) beträgt die eingebaute Radioaktivität in
165  der Chloroplastenproteinfraktion aus 10 A. mediterranea
166  -Zellen ungefähr 2,4 Zerfälle pro Sekunde. Für einen
167  Zeitraum von 6 Wochen bedeutet dies eine Aktivität von 2400
168  Zerfällen pro Sekunde, die 0,07 *rym C (Formel)-Leucin bzw.
169  ungefähr 0,0669 mg Leucin entspricht. Dieser Wert liegt
170  mit Sicherheit unter der tatsächlich eingebauten Leucinmenge, da
171  außer dem angebotenen (Formel)-Leucin erstens in der Zelle (Formel)-
172  Leucin im intrazellulären Aminosäurepool vorliegt, zweitens
173  durch Proteindegradation laufend neue (Formel)-Leucinmoleküle
174  freigesetzt werden und drittens die (Formel)-Leucinmenge durch
175  Neusynthese erhöht wird. Die Aminosäurezusammensetzung der hier
176  untersuchten " unlöslichen " Chloroplastenproteinfraktion ist
177  nicht bekannt. Eine ähnliche unlösliche Fraktion lamellarer
178  Strukturproteine aus Chloroplasten von Acetabularia
179  enthält 10 % Leucin (Goffeau, 1969). Mit diesem Wert
180  läßt sich grob die Menge der Proteine, die während einer Zeit
181  von 6 Wochen in 10 A. mediterranea-Zellen neu
182  synthetisiert werden, auf 669 *rym g schätzen. Die
183  Chloroplastenproteinfraktion aus 10 A. meditarranea-
184  Zellen enthält 81 *rym g Protein (12,5 *rym g Stickstoff;
185  Umrechnungsfaktor (math.Op.) 6,25; siehe auch Tabelle 1).
186  Innerhalb von 6 Wochen wird demnach ungefähr die achtfache Menge
187  an Chloroplastenproteinen synthetisiert. Neben einer Neusynthese
188  wird wahrscheinlich ein Teil der Proteine in den schon vor der
189  Transplantation ausgebildeten Chloroplasten Membranproteine
190  ersetzen. Nach 6 Wochen sind in den Transplantaten mehr als 80
191  % der vorhandenen Proteine unter dem Einfluß des
192  eingepflanzten, heterologen Kernes neu gebildet worden. Der
193  tatsächliche Wert muß nach den oben angeführten Überlegungen
194  noch höher liegen, so das die Menge der vor der
195  Kerntransplantation gebildeten Proteine mit Sicherheit zu gering
196  ist, um noch im Auftrennungsmuster nachgewiesen werden zu können.
197  In den Chloroplasten treten zwar alle Komponenten auf, die für
198  die Ausbildung von Merkmalen notwendig sind (Schweiger, 1969);
199  darüber hinaus ist auch der Einbau von Aminosäuren (Goffeau
200  und Brachet, 1965; Goffeau, 1969), DNS-Vorstufen
201  (Berger, 1967; Schweiger und Berger, 1964) und DNS
202  -Vorstufen (Berger und Schweiger, 1969) in Chloroplasten
203  beobachtet worden; andererseits wurde an Acetabularia
204  schon früher gezeigt, daß die Autonomie der Chloroplasten durch
205  den Einfluß des Kernes begrenzt ist. So wurde für die beiden
206  Chloroplastenenzyme Malatdehydrogenase und Lactatdehydrogenase die
207  Kernabhängigkeit experimentell nachgewiesen (Reuter und
208  Schweiger, 1969; Schweiger et al., 1967). Auch die
209  Tatsache, daß der circadiane Rhythmus der
210  Photosyntheseaktivität vom Kern kontrolliert werden kann, weist
211  auf die Grenzen der Autonomie der Chloroplasten hin (Schweiger
212  et al., 1964). Aus der Menge an DNS in einem
213  Chloroplasten konnte ferner abgeleitet werden, daß höchstens ein
214  Teil der Chloroplastenproteine von dieser DNS kodiert werden
215  kann. Es mußte deshalb angenommen werden, daß neben der
216  Malatdehydrogenase und der Lactatdehydrogenase die Synthese
217  weiterer Chloroplastenenzyme ebenfalls vom Zellkern gesteuert wird
218  (Schweiger, 1969). Es ist in gewisser Weise überraschend,
219  daß, wie in dieser Arbeit nachgewiesen wird, neben löslichen
220  auch unlösliche Proteine der Chloroplasten kernabhängig sind.
221  Gerade von den unlöslichen Proteinen, die maßgeblich am Aufbau
222  der Membransysteme der Chloroplasten beteiligt sind, sollte man am
223  ehestens annehmen, daß sie oranellenspezifische, also essentielle
224  Bestandteile der Chloroplasten darstellen. Diese Annahme führt
225  zu der Vermutung, daß die Synthese der an dem Aufbau der
226  organellenspezifischen Membransysteme beteiligten Proteine unter
227  der Kontrolle des Plastoms stehen sollte. Das hier vorgelegte
228  Ergebnis zeigt jedoch, daß der Chloroplast als integrierter
229  Bestandteil der Zelle so weit unter der Kontrolle des Zellkernes
230  steht, daß neben der Synthese löslicher Enzyme auch die Bildung
231  chloroplastenspezifischer Strukturkomponenten durch die Kern-
232  DNS kodiert wird. Im Hinblick auf die Evolution muß man also
233  annehmen, daß während der Herausbildung der einzelnen
234  Acetabularia-Arten der Chloroplast schon als
235  Zellbestandteil integriert gewesen ist. Die durch Veränderung an
236  der Kern-DNS ausgelöste Entwicklung artspezifischer
237  Merkmale schloß deshalb auch die der Chloroplasten mit ein. Die
238  Kernabhängigkeit ließ sich nur für die artspezifischen Proteine
239  in der Membranfraktion nachweisen, also für jene, für die
240  Unterschiede zwischen den beiden untersuchten Arten gefunden wurden.
241  Dieses Ergebnis schließt nicht aus, daß die Synthese der
242  übrigen oder eines Teiles der übrigen Membranproteine durch die
243  Chloroplasten-DNS gesteuert werden kann. Indirekte
244  Hinweise auf eine solche Kodierung einzelner Membranproteine durch
245  das Erbmaterial der Chloroplasten lieferten Versuche mit
246  Chloramphenicol und Cycloheximid. Andere Ergebnisse weisen
247  darauf hin, daß Chloramphenicol selektiv die Synthese von
248  Proteinen an den Organellen-Ribosomen hemmt. In
249  Chloroplasten konnte eine hemmende Wirkung des Chloramphenicols
250  auf die Synthese mehrerer Enzyme wahrscheinlich gemacht werden.
251  Dazu gehören die Ribulosediphosphat-Carboxylase (Feierabend,
252  1966; Margulies, 1964; Smilie et al., 1967), die
253  Transketolase (Feierabend, 1966) und die Glycerinaldehyd-3
254  -phosphat-Dehydrogenase (Ziegler und Ziegler, 1966;
255  Smillie et al., 1967). Da die Synthese zweier dieser Enzyme
256  nur durch Chloramphenicol, nicht aber durch Cycloheximid gehemmt
257  wird, ist geschlossen worden, daß dieser Syntheseweg nicht über
258  80s-Ribosomen abläuft, also nicht kernabhängig ist (Smillie
259  et al., 1967). Es ist also in Betracht zu ziehen, daß
260  Enzyme durch die Chloroplasten-DNS determiniert werden,
261  wenngleich das auch bislang nicht direkt bewiesen werden konnte, da
262  Chloramphenicol nicht an der DNS, sondern erst am Chloroplasten
263  -Ribosom wirksam wird. Zu ähnlichen Ergebnissen führten auch
264  die hier beschriebenen Experimente an Acetabularia.
265  Allerdings wird in den Chloramphenicol-empfindlichen peaks der
266  Einbau auch dann gehemmt, wenn mit Cycloheximid nur die Synthese
267  an den 80s-Ribosomen blockiert wird. Es besteht einmal die
268  Möglichkeit, daß in Acetabularia die beiden
269  Synthesewege so miteinander verflochten sind, daß die Blockierung
270  eines Syntheseweges auch den anderen beeinflußt. Andererseits
271  könnten in den einzelnen peaks zusammengefaßt auch mehrere
272  verschiedene Proteine liegen, von denen einige an Chloroplasten
273  -Ribosomen gebildet werden. Hier würden beide Hemmstoffe
274  jeweils eine direkte Hemmung auf einzelne der in den peaks liegenden
275  Proteine ausüben. Diese Deutung steht nicht im Widerspruch zu
276  den oben genannten Ergebnissen, nach denen die Wirkung der
277  Hemmstoffe streng selektiv ist (Smillie et al., 1967).

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