Impact of specific long chain acyl CoA synthetases on plant development
Einfluss langkettiger acyl-CoA Synthetasen auf die pflanzliche Entwicklung
von Dirk Jessen
Datum der mündl. Prüfung:2011-09-29
Erschienen:2012-06-18
Betreuer:Dr. Martin Fulda
Gutachter:Prof. Dr. Ivo Feußner
Gutachter:Dr. Dieter Klopfenstein
Gutachter:Dr. Henning Urlaub
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Format:PDF
Zusammenfassung
Englisch
Fatty acids are essential components of cellular life. However, in their natural form they cannot enter metabolism but in fact they need enzymatic activation by coenzyme A to become metabolically accessible. One enzyme class catalyzing such a reaction is called long chain acyl-CoA synthetases (LACS). Although the chemical aspects of this reaction are well understood the biological impact remained largely unknown, since pronounced phenotypes of LACS mutants have not been reported so far. However, in this project it has been shown that deletion of these activities can lead to severe phenotypes affecting processes throughout the whole plant life cycle. The observations were made by the establishment of a LACS mutant collection with dozen of double and triple knock-out lines. Some lines showed reduced or even absent fertility and reduced surface wax levels caused by a reduced synthesis of very long chain lipids. Other mutants showed light dependent phenotypes resulting in severely altered plant morphology. These modifications were most likely due to perturbations of the lipid metabolism. In this context, a reduced flux between prokaryotic and eukaryotic pathway is assumed based on radiolabeled flux analysis. In addition, embryo development and storage lipid synthesis were reduced in some lines indicating important roles of specific LACS enzymes also in these processes. All these phenotypes are caused by specific changes in various parts of lipid metabolism, suggesting that fatty acids require repeated activation, after being transported out of the chloroplast. Evidences for such processes have been found in surface wax synthesis, storage lipid synthesis, fatty acid degradation and in part also for eukaryotic lipid synthesis. Deactivation of acyl-CoA and subsequent reactivation of the free fatty acid seem to be contra productive; however, it might allow a better more efficient regulation of the connected metabolic pathways or transport processes through membranes. Furthermore, the results are suggesting the existence of different acyl CoA pools for specific pathways. Such different pools might also be the reason for the existence of nine LACS isogenes in Arabidopsis.
Keywords: LACS; Fatty acids; Lipids; Metabolism; plants
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Fettsäuren sind essentielle zelluläre
Bausteine, da sie als Energie-, Signal- und Strukturelement
benötigt werden. Als freie Fettsäuren stellen sie jedoch kein
Substrat für metabolische Vorgänge dar, sondern müssen mittels
einer enzymkatalysierten Reaktion in aktivierte Zwischenprodukte,
den sog. Acyl-CoAs, umgewandelt werden. Eine Enzymklasse, die diese
Reaktion katalysiert, sind die langkettigen acyl-CoA Synthetasen
(LACS). Die chemischen Eigenschaften dieser Reaktion wurden bereits
aufgeklärt, jedoch sind die biologischen Aspekte bisher nur
partiell bekannt, da die Inaktivierung einzelner LACS Gene in
Pflanzen zu keinem ausgeprägten Phänotyp führte. Um ein besseres
Verständnis der biologischen Bedeutung der LACS Enzymklasse zu
gewinnen, wurden mittels klassischer Kreuzung zahlreiche
Mehrfachmutanten erzeugt und biochemisch als auch
molekularbiologisch untersucht. Die Daten dieser Analysen zeigen,
dass der Ausfall spezifischer LACS Aktivitäten Prozesse des
gesamten pflanzlichen Lebenszyklus betrifft. Die beobachteten
Phänotypen können in zwei Untergruppen eingeordnet werden. Einige
Linien entwickelten eine reduzierte Fertilität oder waren steril.
Außerdem war bei diesen Pflanzen die Synthese des
Oberflächenwachses betroffen. Beide Merkmale werden durch eine
verminderte Synthese von sehr langkettigen Lipiden hervorgerufen.
Andere lacs Pflanzen hingegen zeigten einen licht-abhängigen
Phänotyp mit massiven morphologischen Veränderungen. Diese werden
durch einen verminderten Transport spezifischer Lipide zwischen dem
endoplasmatischen Retikulum und Chloroplasten hervorgerufen.
Außerdem konnten bei einigen Linien Embryoletalität festgestellt
werden. Die gefundenen Daten zeigen, dass Fettsäureaktivierung von
essentieller Bedeutung für eine Vielzahl zellulärer Prozesse in
Pflanzen ist. Anhaltspunkte hierfür wurden in der Synthese des
Oberflächenwachses, der Speicherlipid-Synthese, der
Fettsäuredegradation und in der eukaryoten Lipidsynthese gefunden.
Die Ergebnisse legen zudem nahe, dass Fettsäuren im Verlauf der
beteiligten Stoffwechselwege wiederholt aktiviert werden müssen
wodurch vermutlich eine bessere Regulation erreicht werden kann. Es
scheint außerdem innerhalb einer Zelle unterschiedliche acyl-CoA
Fraktionen zu geben Diese unterschiedlichen Fraktionen könnten ein
weiterer Grund für die Existenz von 9 LACS Isoenzymen in
Arabidopsis sein.
Schlagwörter: LACS; Fettsäuren; Lipide; Metabolismus; Pflanzen; Synthese