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Titel: Von Pilzen und Menschen: Duale Lokalisierung durch TGACT(A)-induziertes Überlesen des Stopcodons
Autor: Stiebler, Alina Claudia
Weitere Beteiligte: Bölker, Michael (Prof. Dr.)
Veröffentlicht: 2017
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2017/0706
DOI: https://doi.org/10.17192/z2017.0706
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2017-07064
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Of fungi and men: dual localization via TGACT(A)-induced stop codon readthrough
Publikationsdatum: 2018-12-10
Lizenz: https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Proteinlokalisierung, Ustilago maydis, Termination, Überlesen des Stopcodons, Translation

Zusammenfassung:
Eukaryotische Zellen zeichnen sich durch den Besitz subzellulärer Kompartimente und Organellen aus. Diese Unterteilung ermöglicht es, bestimmte biochemische Reaktionen vom zytosolischen Milieu abzutrennen. So finden beispielsweise die Degradation von Fettsäuren und die Detoxifikation von H2O2 in Peroxisomen statt. Damit die erforderlichen Proteine für diese Reaktionen zu ihrem charakteristischen Wirkungsort in der Zelle gelangen können, sind diese mit spezifischen Zielsteuerungssequenzen versehen. Der gerichtete Transport von Proteinen in die Peroxisomen erfolgt mit Hilfe spezifischer peroxisomaler Signalsequenzen (peroxisomal targeting signals, PTS), die entweder C-terminal (PTS1) oder am N-Terminus (PTS2) vorliegen und den Import in die peroxisomale Matrix vermitteln. Es besteht zudem die Möglichkeit, dass ein Protein gleichzeitig in mehreren zellulären Kompartimenten lokalisiert. Dieses Phänomen wird als duale Lokalisierung bezeichnet. In einigen Pilzen werden bestimmte Enzyme der Glykolyse, wie die Phosphoglyceratkinase (PGK), partiell in Peroxisomen lokalisiert. Für den peroxisomalen Import dieser Enzyme sind versteckte PTS1-Motive verantwortlich, die beispielsweise durch das programmierte Überlesen des Stopcodons während der Translation aktiviert werden können. In dem phytopathogenen Basidiomyzeten Ustilago maydis wird auf diese Weise eine peroxisomale Variante der Pgk1 erzeugt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Überlesen des Stopcodons des U. maydis-Gens tpi1 untersucht, welches für das glykolytische Enzym Triosephosphat Isomerase (Tpi1) codiert. Es konnte gezeigt werden, dass effizientes Überlesen des tpi1-Stopcodons durch das kurze Motiv TGACT induziert wird. Mit Hilfe eines Reporterkonstrukts konnte außerdem gezeigt werden, dass TGACT-induziertes Überlesen des Stopcodons in U. maydis durch die Verfügbarkeit von Sauerstoff sowie die Oxygenase Tpa1 regulierbar ist. Ausgehend von dem Motiv TGACT wurden mittels bioinformatischer Analysen weitere peroxisomale Isoformen metabolischer Enzyme in U. maydis identifiziert, welche durch programmiertes Überlesen des Stopcodons gebildet werden können. Darüber hinaus wurde herausgefunden, dass ein programmiertes Überlesen des Stopcodons mittels des Stopcodonkontextes TGACTA auch in höheren Eukaryoten verbreitet ist und zur Bildung neuer Enzymvarianten mit peroxisomaler Lokalisierung dient. Dazu zählen die humanen Enzyme Malatdehydrogenase 1 und Laktatdehydrogenase B, deren peroxisomale Isoformen vermutlich als Bestandteil eines Redox-Shuttles an der Redox-Homöostase der Zelle beteiligt sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen somit, dass das Codierungspotenzial der DNA über den genetischen Standardcode hinausgeht und liefern einen Hinweis darauf, dass das metabolische Potenzial der Peroxisomen größer ist als bisher angenommen.

Summary:
One hallmark of eukaryotic cells is subcellular compartmentalization, which allows the separation of certain biochemical reactions from the cytosol. For example, the degradation of fatty acids and the detoxification of H2O2 take place in peroxisomes. Subcellular localization of proteins requires specific targeting signals. Protein import into peroxisomes is mediated by peroxisomal targeting signals (PTS), which are either located at the C-terminus (PTS1) or at the N-terminus (PTS2) of a protein. Moreover, proteins can localize to more than one compartment, a phenomenon termed dual targeting. In many fungi, several glycolytic enzymes such as the phosphoglycerate kinase (PGK) are targeted to peroxisomes via activation of a hidden PTS1. In the phytopathogenic fungus Ustilago maydis the cryptic PTS1 of Pgk1 is generated by programmed stop codon readthrough during translation. In this study, stop codon readthrough was analyzed for the U. maydis gene tpi1 encoding the glycolytic enzyme triosephosphate isomerase (Tpi1). Efficient readthrough was induced by the stop codon context TGACT. Furthermore, TGACT-induced readthrough in U. maydis was found to be regulated by oxygen availability and the oxygenase Tpa1. An analysis of the U. maydis genome revealed additional metabolic enzymes with peroxisomal isoforms generated by TGACT-mediated stop codon readthrough. Programmed stop codon readthrough triggered by TGACTA also occurs in higher eukaryotes. In human cells, readthrough-derived peroxisomal isoforms of malate dehydrogenase 1 and lactate dehydrogenase B were identified. These isoforms may contribute to intracellular redox homeostasis as part of redox-shuttles. These results show the coding potential of eukaryotic genomes beyond the standard genetic code and reveal a so far unexpected metabolic capacity of peroxisomes.


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