Calcium signalling in the filamentous and nitrogen-fixing cyanobacterium Anabaena sp. PCC 7120
Pysyvä osoite
Verkkojulkaisu
DOI
Tiivistelmä
Cyanobacteria fix atmospheric CO2 into sugars using water and sunlight in a process
called photosynthesis, generating O2 as a by-product. Cyanobacteria not only
contribute substantially to global primary production, but also to the global nitrogen
cycle. Nitrogen fixation is a particular feature of a wide range of bacteria and archaea.
Filamentous cyanobacterial strains spatially separate oxygenic photosynthesis and
anoxic nitrogen fixation in two different cell types - the vegetative cells and
specialised cells called heterocysts, respectively. As a model organism for
cyanobacterial photosynthesis and nitrogen fixation, Anabaena (Nostoc) sp. PCC
7120 was used in this thesis to study the effects of Ca2+ on regulation mechanisms of
the metabolic equilibrium between the two most abundant elements - carbon and
nitrogen - whose ratio is an indicator of the metabolic performance.
Ca2+ is a ubiquitous second messenger, enzyme co-factor and component of
membranes in eukaryotic cells and organisms, such as mammals and plants.
However, the importance of Ca2+ in cellular processes in prokaryotes, particularly in
cyanobacteria, is not as well understood. High amounts of Ca2+ are known to be toxic,
therefore, the concentration of free intracellular Ca2+ is tightly regulated by Ca2+
channels and pumps, and Ca2+-binding proteins, respectively. Results in this thesis
have demonstrated that Ca2+ is a key regulator of the intracellular carbon and
nitrogen balance, through regulation of gene expression of the respective carbon and
nitrogen uptake transporters, which is vital for metabolic homeostasis of the cells. A
novel Ca2+-binding protein (CSE) in Anabaena sp. PCC 7120 was described and
connected to the maintenance of the metabolic balance between photosynthetic
light reactions and nitrogen fixation, based on the characterisation of the cse gene
and protein. The CSE protein shows many features of a Ca2+ sensor and regulator
protein and thus is likely to interact with a protein partner upon sensing changes of
intracellular Ca2+ levels. Overexpression of CSE impaired photosynthetic electron
transport across the thylakoid membrane, possibly through defects in the proper
assembly of the light-harvesting complexes, called phycobilisomes in cyanobacteria,
and damage of photosystem II dimers. Deletion of CSE, in contrast, severely
disturbed heterocyst development and filament integrity, possibly through the lack
of functional Ca2+ signalling during early heterocyst differentiation or the release of
Ca2+ ions due to the knockout of this Ca2+-binding protein. These results indicate a
possible dual function of CSE as a Ca2+ buffer as well as a Ca2+ sensor protein.
Syanobakteerit sitovat ilmakehän hiilidioksidia sokereiksi käyttämällä vettä ja
auringonvaloa yhteyttämiseksi kutsutussa prosessissa. Sen lisäksi, että
syanobakteerit yhteyttävinä primäärituottajina osallistuvat merkittävästi globaaliin
biomassan tuotantoon, niillä on myös iso rooli maapallon typpikierrossa. Typen
sitominen on rihmamaisten syanobakteerikantojen erityisominaisuus. Nämä
syanobakteerit erottavat happea tuottavan yhteyttämisen ja hapettomat olosuhteet
vaativan typen sitomisen tilallisesti käyttämällä vegetatiivisen kasvun soluja
yhteyttämiseen ja heterokysteiksi kutsuttuja erikoistuneita soluja typen sitomiseen.
Solunsisäistä hiilen ja typen välistä suhdelukua käytetään kuvaamaan
syanobakteerisolujen yleistä kelpoisuutta, ja väitöskirjassani tutkin Ca2+-ionien
vaikutusta näiden kahden alkuaineen aineenvaihduntatasapainon
säätelymekanismeihin käyttämällä syanobakteerien yhteyttämisen ja
typensidonnan mallieliöitä Anabaena (Nostoc) sp. PCC 7120 –syanobakteeria
tutkimuskohteena.
Ca2+-ionien rooli toissijaisina lähetteinä, entsyymien kofaktoreina ja
kalvorakenteiden osina on hyvin tunnettu aitotumaisissa eliöissä ja soluissa, mutta
esitumaisissa eliöissä, etenkin syanobakteereissa, Ca2+-ionien merkitystä on tutkittu
verrattain vähän. Suuret Ca2+-pitoisuudet ovat tiettävästi haitallisia soluille, minkä
takia vapaiden Ca2+-ionien konsentraatio on tarkasti säädelty Ca2+-kanavien ja -
pumppujen, sekä Ca2+-ioneja sitovien proteiinien avulla. Tutkimuksessani havaitsin
Ca2+-ionien vaikuttavan hiilen ja typen sisäänotosta vastaavien proteiinien geenien
ekspressioon, minkä takia Ca2+ on tärkeä säätelytekijä solunsisäisen hiili-typpi -
tasapainon säilyttämisessä. Löysin tutkimuksessani Anabaena -syanobakteerissa
esiintyvän uudentyyppisen Ca2+-ioneja sitovan proteiinin (CSE). Kyseisen proteiinin
toiminta on yhteydessä solun aineenvaihduntatasapainon ylläpitämiseen
yhteyttämisen valoreaktioiden ja typen sitomisen välillä. CSE-proteiinissa on monia
Ca2+-sensori-/säätelyproteiinin piirteitä, minkä takia CSE on todennäköisesti
vuorovaikutuksessa toisten proteiinien kanssa solunsisäisen Ca2+-signaalin läsnä
ollessa. CSE-proteiinin ylituotto haittasi yhteyttämisen elektroninsiirtoreaktiota,
mahdollisesti vioittamalla fykobilisomien, syanobakteereille ominaisten
valohaavien, kokoamisketjua tylakoidikalvostolla, sekä vaurioittamalla valoreaktio
II:n dimeerimuotoisia proteiinikomplekseja. Sen sijaan Anabaena -kannat joista CSEproteiinin
geeni oli poistettu, ilmensivät vakavasti häiriintynyttä heterokystien
kehitystä ja rihmojen eheyttä. Nämä viat johtuivat mahdollisesti Ca2+-signaloinnin
toiminnan häiriöistä heterokystien aikaisten kehitysvaiheiden aikana. Tulokseni
osoittavat, että CSE-proteiinilla on kaksoisrooli Ca2+-puskurina ja Ca2+-
sensoriproteiinina.
Sarja
Turun yliopiston julkaisuja. Sarja A I, Chemica - Physica – Mathematica|612
Saavutettavuusominaisuudet
Ei tietoa saavutettavuudesta