17 maart 2020

Opeenstapeling van fotosynthese-enzymen in een klein gebied

Moleculaire machinerie in een chloroplast

Utrechtse wetenschappers leggen de moleculaire machinerie in de chloroplasten van planten bloot. Ze openen daarmee de weg naar onderzoek naar eiwitinteracties in eiwitcomplexen aan het celoppervlak. Ze publiceren hun bevindingen in Nature Communications.

De wetenschappers onderzochten de eiwitten in de grana: de 'stapeltjes' in de chloroplasten. Beeld: iStock

Planten kunnen gedijen in steeds veranderende omstandigheden, dankzij zeer efficiënte machines om de oxidatie van water te katalyseren door middel van het zogeheten Photosystem II-enzym gekoppeld aan een modulair antennesysteem (LHCII). Om zoveel mogelijk van deze moleculaire machines in het celmembraan van de chloroplast te verpakken, gebruiken planten de interacties tussen verschillende kopieën van LHCII-eiwitten. Deze interacties vormen uiteindelijk de zogenaamde grana.

Dit proces was tot nu toe niet goed begrepen, maar onderzoekers van de Universiteit Utrecht hebben in samenwerking met onderzoekers van de Politecnico di Torino voor het eerst de structurele rol van PSII-LHCII-complexen in dit proces bewezen. Door deze interacties in detail te bekijken slaagden de onderzoekers erin op te helderen hoe grana worden gevormd en dynamisch worden aangepast – het proces waarmee planten de membraanstructuur reguleren en uiteindelijk op een efficiënte manier zonlicht oogsten. Ze publiceerden hun resultaten in het vooraanstaande wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

Structurele biologie

Om de interacties die tot de vorming van grana leiden te ontrafelen, werden twee afzonderlijke massaspectrometrie technieken toegepast: top-down-massaspectrometrie om alle eiwitten in het complex te karakteriseren en crosslinking-massaspectrometrie om te detecteren welke eiwitten met elkaar verbonden zijn. Hoewel massaspectrometrie een techniek is die essentieel moleculen weegt, kan ook andere informatie uit het monster worden gehaald.

Het vermogen van structurele proteomics om interacties binnen het membraan te ontdekken, opent de weg voor toepassing op ziektebeelden.

“In de analyses ontdekten we post-translationele modificatie (PTM) acetylering aan het begin van bijna alle eiwitsequenties en bovendien werden veel eiwitten geïdentificeerd waar het eerste deel van de eiwitsequentie was verwijderd”, zegt laatste auteur Richard Scheltema.  says. “Het structurele onderzoek bracht aan het licht welke eiwitten een interactie aangaan en met welk deel van de eiwitsequentie.”

Een uniek mechanisme

Met behulp van de resultaten van de twee massaspectrometriebenaderingen werden de interacties volledig opgelost. “Onze studie bevestigt een verbindingspunt dat eerder al werd vermoed en vond, belangrijker nog, een uniek mechanisme waardoor de interactie wordt gereguleerd”, zegt Scheltema. “De acetylering gecombineerd met het verwijderen van het begin van de eiwitsequentie, met name bij weinig licht, stelt planten in staat om de interacties tussen tegenover elkaar liggende complexen snel te ontgrendelen. Door het positief geladen eerste aminozuur te verwijderen dat het complex afstoot van het negatief geladen stromale oppervlak van het andere complex kan de interactie gevormd worden.”

Eiwitinteracties

In dit werk zijn de onderzoekers erin geslaagd hun bevindingen over eiwitcomplexen direct in de grana te reproduceren, wat de weg opent voor onderzoek naar eiwitinteracties in eiwitcomplexen die aan het cellulaire oppervlakte blootgesteld zijn. Het vermogen van crosslinking-massaspectrometrie om dit te doen opent de weg om regulatie van eiwitten die leiden tot ziekten in hun natuurlijke omgeving te bestuderen.

Publicatie

How paired PSII–LHCII supercomplexes mediate the stacking of plant thylakoid membranes unveiled by structural mass-spectrometry. Nature Communications, 13 March 2020. Pascal Albanese*, Sem Tamara*, Guido Sarocco, Cristina Pagliano, and Richard A. Scheltema*

* Verbonden aan Universiteit Utrecht

The molecular machinery inside a chloroplast