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Titelaufnahme

Titel
A role for reactive electrophile species in high light signalling in Chlamydomonas reinhardtii / Theresa Elisabeth Baur
VerfasserBaur, Theresa Elisabeth
Betreuer / BetreuerinnenKranner, Ilse ; Roach, Thomas Duncan
ErschienenInnsbruck, September 2018
UmfangIV, 51 Blätter : Diagramme
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Masterarbeit, 2018
Datum der AbgabeSeptember 2018
SpracheEnglisch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (DE)Photosynthese / Singulettsauerstoff / Reaktive Elektrophile Spezies / Starklichtsignalweiterleitung / Chlamydomonas reinhardtii / Acrolein / Hydroxynonenal
Schlagwörter (EN)Photosynthesis / Singlet oxygen / Reactive electrophile species / Light stress signalling / Chlamydomonas reinhardtii / Acrolein / Hydroxynonenal
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-27210 Persistent Identifier (URN)
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A role for reactive electrophile species in high light signalling in Chlamydomonas reinhardtii [1.94 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Für photosynthetische Organismen ist Licht lebensnotwendig. Jedoch kann ihnen zu viel Licht auch schaden, da dadurch beispielsweise Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) entstehen können. Eine dieser Verbindungen, Singulettsauerstoff (1O2), ist jedoch ein wichtiger Botenstoff in der retrograden Signalweiterleitung von Starklicht-Signalen vom Chloroplast, dem Ort der Wahrnehmung von Starklicht und der 1O2-Bildung, zum Zellkern, dem Ort der veränderten Genexpression, die beispielsweise zu erhöhter Lichttoleranz führen kann. Aufgrund seiner hohen Reaktivität und der daraus folgenden Kurzlebigkeit ist es unwahrscheinlich, dass 1O2 die einzige beteiligte Verbindung in diesem Signalweg ist, da er die erforderliche Strecke zwischen den zwei Organellen nicht zurücklegen kann. Die möglichen Kandidaten zur Signalweiterleitung beinhalten Reaktive Elektrophile Spezies (RES), welche durch die Peroxidation und die daraus folgende Fragmentierung von mehrfach ungesättigten Fettsäuren (PUFAs) durch 1O2 in den Thylakoid-Membranen der Chloroplasten entstehen. Diese RES beinhalten Moleküle mit ,-ungesättigten Carbonylgruppen und etwa auch Produkte der -Carotin-Fragmentierung. Für einige RES wurde bereits in der Vergangenheit gezeigt, dass sie Änderungen in der Genexpression als Antwort auf biotischen oder abiotischen Stress in Pflanzen bewirken. In dieser Masterarbeit wurde nun anhand der einzelligen Modellalge Chlamydomonas reinhardtii die Funktion von verschiedenen RES (zehn Verbindungen wurden genauer untersucht, wobei die reaktivsten Acrolein und 4-Hydroxy-2-nonenal (HNE) waren) in der 1O2-vermittelten Starklicht-Signalweiterleitung untersucht. Einige RES (inklusive Acrolein, HNE oder trans-2-Nonenal) waren zeitabhängig während einer Starklichtbehandlung erhöht, während andere (u. a. Malondialdehyd (MDA) und -Cyclocitral (CC)) nicht erhöht waren. Behandlung mit exogenem 1O2 führte zu einem weiteren Anstieg der meisten quantifizierten RES, was die Rolle von 1O2 in der Entstehung von RES bestätigte. Auf die Behandlung von exogen zugeführtem Acrolein, HNE und trans-2-Nonenal reagierten die Zellen mit konzentrationsabhängigen Änderungen in der Viabilität (gemessen als Fv/Fm), im Glutathion- und Cystein-Gehalt, sowie im Glutathion S-Transferase 1 (GSTS1) Proteingehalt, was veränderte Genexpression induziert. In einer abschließenden RNAseq. Transkriptomanalyse wurden die Einflüsse von exogenen RES-Behandlungen (Acrolein, HNE und CC) mit denen von 1O2- und Starklichtbehandlungen verglichen. Die Mehrheit der im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle unterschiedlich exprimierten Gene war in Folge der angewendeten Stressbehandlungen heruntergeregelt. Mit Acrolein behandelte Zellen zeigten die zu 1O2- und Starklichtbehandlung ähnlichste Reaktion, gefolgt von HNE. Im Vergleich dazu zeigten CC-behandelte Zellen eine kaum von der unbehandelten Kontrolle unterschiedliche Genexpression. Die Ergebnisse lassen auf eine wichtige Rolle von Acrolein in der Weiterleitung von retrograden, 1O2-vermittelten Starklichtsignalen vom Chloroplast zum Zellkern schließen, aber auch HNE und womöglich andere RES spielen eine Rolle. Auf der anderen Seite scheint CC nur eine begrenzte Rolle während der Starklichtsignalweiterleitung in C. reinhardtii zu haben.

Zusammenfassung (Englisch)

During high light signalling in photosynthetic organisms, the reactive oxygen species (ROS) singlet oxygen (1O2) has been shown to be an important messenger in retrograde signalling from the chloroplast (site of high light reception and 1O2 formation) to the nucleus (site of altered gene expression). However, 1O2 is unlikely to be the only compound involved in this signalling pathway due to its high reactivity, therefore short lifetime and subsequent inability to cover the distance between these organelles. Candidates for transmission of 1O2-mediated high light signals are reactive electrophile species (RES), produced through 1O2-mediated peroxidation and subsequent fragmentation of poly-unsaturated fatty acids (PUFAs) in the thylakoid membranes of the chloroplasts. Some of these RES, many of which contain an ,-unsaturated carbonyl group and also include e.g. products of -carotene fragmentation, have been shown in the past to induce changes in gene expression in response to biotic or abiotic stresses in plants. In this thesis the model unicellular green alga Chlamydomonas reinhardtii was used to investigate the function of different RES (ten were investigated more closely, the most reactive being acrolein and 4-hydroxy-2-nonenal (HNE)) in 1O2-mediated high light signalling. During high light treatment, some compounds were increased in a time-dependent manner (including acrolein, HNE or trans-2-nonenal), whereas others (including malondialdehyde (MDA) and -cyclocitral (CC)) were not. Exogenous 1O2 treatment led to a further increase in most of the quantified RES, confirming the role of 1O2 in RES production. After treatment with exogenous acrolein, HNE and trans-2-nonenal, cells responded with concentration-dependent changes in viability (measured as Fv/Fm), glutathione and cysteine contents as well as glutathione S-transferase 1 (GSTS1) protein levels, indicating changes in gene expression. In a concluding RNAseq. transcriptomic analysis the effects of exogenous RES treatments (acrolein, HNE and CC) on gene expression were compared to 1O2 and high light treatments. A surplus of differentially expressed (DE) genes were down-regulated in response to the applied stresses. Acrolein-treated cells showed the most similar response to 1O2 and high light-treated cells, followed by HNE. In contrast, CC-treated cells did not show a lot of altered gene expression compared to control. The results suggest an important role for acrolein in the transmission of retrograde, 1O2-mediated high light signals from the chloroplast to the nucleus, but also HNE and maybe also other RES play a role. -cyclocitral, on the other hand, seems to have only limited importance during high light signalling in C. reinhardtii.

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