Chloroplast protein acetyltransferases – novel players in the regulation of photosynthesis

Abstract

Post-translational modifications (PTMs) of proteins such as phosphorylation have been shown to play pivotal roles in the regulation of photosynthesis. However, the study of these small modifications has long been hindered by methodological limitations. In recent years, advances in mass spectrometry methods have enabled the identification of a myriad of PTMs affecting proteins in all subcellular compartments. Especially interesting is the high prevalence of protein acetylation in the chloroplast, and more specifically in photosynthetic proteins.

The acetylation machinery in the chloroplast consists of seven acetyltransferase enzymes that belong to the General control non-repressible 5-related N-acetyltransferase (GNAT) superfamily. The chloroplast-localized GNATs (GNAT1-5, GNAT7 and GNAT10) have been shown to catalyse two types of protein acetylation reactions: the addition of an acetyl group to the free N-terminus and the acetylation of an internal lysine residue of a protein. In addition, GNAT1 and GNAT2 function as metabolite acetyltransferases in the biosynthesis of melatonin. The presence of such a versatile group of plastid-localized GNAT acetyltransferases points to the importance of this PTM in the chloroplast.

In this thesis, I have focused on elucidating the physiological role(s) of a group of the newly identified chloroplast GNAT acetyltransferases with a special focus on photosynthesis. My work has shown that GNAT2 is required for the regulation of excitation energy distribution between the photosystems through state transitions. Specifically, the formation of the PSI-LHCII complex is hindered in the gnat2 mutant, although no defects were detected in LHCII phosphorylation, which was previously considered to be the main determinant of state transitions. Additionally, GNAT2 was shown to be essential for the dynamic responses of the thylakoid membrane to changes in light conditions. GNAT1, GNAT2, GNAT4, GNAT7 and GNAT10 have a marked effect on the metabolome of Arabidopsis thaliana, especially on the accumulation of oxylipins, lipids and two acetylated amino acids. Finally, I have characterized two previously unknown thylakoid membrane proteins acetylated by GNAT2 and revealed their involvement in the dynamic adjustment of the light harvesting antenna of photosystem II.

-- Entsyymien aktiivisuutta sekä proteiinien lokalisaatiota ja vuorovaikutuksia säädellään erilaisten proteiinien entsymaattisten muokkausten avulla. Fotosynteesireaktioiden säätelyssä proteiinien fosforylaatio on tärkein tunnettu proteiinimuokkaus, jonka on osoitettu olevan muun muassa valohaaviproteiinien ja valoenergian keräyksen säätelyn edellytys nopeasti muuttuvissa valo-olosuhteissa. Proteiinimuokkausten tutkimus on ollut menetelmällisesti haastavaa, mutta massaspektrometriamenetelmien kehitys viime vuosina on mahdollistanut lukuisten uusien proteiinimuokkausten tunnistamisen solun eri osissa. Proteiinien asetylaatiota esiintyy erityisen runsaasti kasvin viherhiukkasissa, mutta sen mahdollinen rooli fotosynteesin säätelijänä tunnetaan huonosti.

Viherhiukkasessa asetylaatioreaktioita katalysoi seitsemän General control non-repressible 5-related N-asetyyltransferaasien (GNAT) -ryhmään kuuluvaa entsyymiä: GNAT1-5, GNAT7 sekä GNAT10. Tämän tutkimuksen tavoitteena on ollut selvittää viherhiukkasen GNAT-asetyylitransferaasien fysiologista roolia kasvissa, sekä erityisesti niiden vaikutusta fotosynteesireaktioihin. Väitöskirjatyössäni osoitan, että GNAT2-asetyyltransferaasi osallistuu fosforylaation ohella valon keräyksen säätelyyn ja viritysenergian tasapainotukseen. GNAT2 vaikuttaa myös merkittävästi tylakoidikalvoston rakenteeseen ja kalvoston rakenteen dynamiikkaan muuttuvissa valo-olosuhteissa. Osoitan myös, että proteiinien asetylaation lisäksi GNAT1-, GNAT2-, GNAT4-, GNAT7- ja GNAT10-entsyymit vaikuttavat huomattavasti lituruohon metabolomiin. Erityisesti oxylipiinien, antioksidanttina toimivan askorbaatin ja eräiden kalvolipidien määrät ovat muuttuneet tutkituissa gnat-mutanttilinjoissa. Lisäksi osoitan, että kaksi aiemmin tuntematonta kloroplastiproteiinia, ALM-A ja ALM-B, jotka ovat GNAT2-entsyymin mahdollisia kohdeproteiineja, osallistuvat fotosysteemi II:n valohaavin koon säätelyyn.