Evolutionäre Diversifikation von groEL Paralogen im stigonematalen Cyanobakterium Chlorogloeopsis fritschii PCC 6912

Weißenbach, Julia

In dieser Arbeit wurde durch verschiedene in vivo Untersuchungen die evolutionäre und funktionelle Diversifikation der groESL Paraloge in stigonematalen Cyanobakterien untersucht. Hierfür wurde der kürzlich sequenzierte Stamm Chlorogloeopsis fritschii PCC 6912 verwendet, dessen Genom zwei bicistronische groESL Operons (groESL1, groESL2) sowie ein monocistronisches groEL (groEL3) Paralog kodiert. Differentielle Transkriptionslevel und Expressionslokalisierungen der verschiedenen Paraloge konnten sowohl unter Normal- als auch unter verschiedenen Stress-Bedingungen in vivo gezeigt werden. Diese Spezifikation deutet auf eine divergente Entwicklung und letztendliche funktionelle Spezialisierung der Genkopien im Laufe der cyanobakteriellen Evolution hin. Protein-Protein-Interaktionsstudien konnten den Nachweis erbringen, dass GroEL3 im Gegensatz zu den anderen Paralogen ausschließlich als Monomer vorliegt, während die anderen Chaperonin-Untereinheiten Homo-und Heteromere bilden. Diese differentielle Assemblierung lässt auch Rückschlüsse auf die Chaperonin Aktivität schließen, da die Tetradecamerstruktur des Chaperonins essentiell für die Faltungsaktivität ist. In einem Komplementierungstest wurde gezeigt, dass sowohl GroEL1 als auch GroEL2 ausschließlich in Kombination mit dem Ko-Chaperonin GroES1 funktional sind, was auf einen dysfunktionalen GroESL2 Komplex hinweist. Diese Ergebnisse lassen deshalb auf eine Subfunktionalisierung von GroESL2 im Zuge der cyanobakteriellen Evolution schließen. Trotz der fehlenden Fähigkeit zur Assemblierung der Chaperonin-typischen Struktur wird nicht von einer Nonfunktionalisierung von groEL3 ausgegangen. Eine spezifische Expressionslevel-Erhöhung unter Starklicht-Bedingungen, ein C-terminales GGM-Motiv, sowie die Konservierung des monocistronischen groEL Paralogs in allen Cyanobakterien weist auf eine spezifische Funktion von groEL3 hin, welche gegebenenfalls mit der Phototrophie der Bakterien in Zusammenhang steht.

Study of the functional diversification of GroEL paralogs in the filamentous, heterocyst forming Chlorogloeopsis fritschii PCC 6912 which genome encodes two groESL operons (groESL1, groESL2) and a monocistronic groEL gene (groEL3). A comparison of gene expression under stress conditions like heat, high light and diazotrophy showed diverse expression pattern of the paralogous groEL under one specific stress conditions. Translational GFP-fusion experiments revealed a different expression localization of the paralogs during diazotrophic conditions. Furthermore, to evaluate the GroEL-GroES specificity, a bacterial-two-hybrid system was employed to investiagte the protein-protein interactions between the chaperonin subunits in vivo. GroEL3 subunits neither formed homo-oligomers nor interacted with any of the two co-chaperonins, whereas subunits encoded in the two operons were able to form hybrid complexes. The differential ability for chaperonin assembly indicated structural differences between the paralogs that could influence the chaperonin activity. A complementation assay in a groESL deficient Escherichia coli strain additionally showed that the function of the three GroEL paralogs is not redundant. Functional chaperon activity was only detected for native groESL1, while groEL2 could complement only in addition with groES1. The dysfunctionality of the GroESL2 chaperonin complex thus indicates that the GroEL2 underwent a subfunctionalization, which could have resulted in a diversification of the substrate set under different conditions. The obtained results further demonstrate a neofunctionalization of the monocistronic groEL3 due to the fact that all cyanobacterial monocistronic groEL paralogs showed a conserved C-terminal GGM motif and a distinct response to high light. In conclusion,this study showed that the evolutionary consequences of groEL duplication is unrelated to dosage effects and provided evidence for sub- and neofunctionalization of the paralogous genes.

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Weißenbach, Julia: Evolutionäre Diversifikation von groEL Paralogen im stigonematalen Cyanobakterium Chlorogloeopsis fritschii PCC 6912. 2016.

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