Anna Kolbe

• Post-translational redox-regulation is a well-known mechanism to regulate enzymes of the Calvin cycle, oxidative pentose phosphate cycle, NADPH export and ATP synthesis in response to light. The aim of the present thesis was to investigate whether a similar mechanism is also regulating carbon storage in leaves. Previous studies have shown that the key-regulatory enzyme of starch synthesis, ADPglucose pyrophosphorylase (AGPase) is inactivated by formation of an intermolecular disulfide bridge between the two catalytic subunits (AGPB) of the heterotetrameric holoenzyme in potato tubers, but the relevance of this mechanism to regulate starch synthesis in leaves was not investigated. The work presented in this thesis shows that AGPase is subject to post-translational redox-regulation in leaves of pea, potato and Arabidopsis in response to day night changes. Light was shown to trigger posttranslational redox-regulation of AGPase. AGPB was rapidly converted from a dimer to a monomer when isolated pea chloroplasts were illuminated and fromPost-translational redox-regulation is a well-known mechanism to regulate enzymes of the Calvin cycle, oxidative pentose phosphate cycle, NADPH export and ATP synthesis in response to light. The aim of the present thesis was to investigate whether a similar mechanism is also regulating carbon storage in leaves. Previous studies have shown that the key-regulatory enzyme of starch synthesis, ADPglucose pyrophosphorylase (AGPase) is inactivated by formation of an intermolecular disulfide bridge between the two catalytic subunits (AGPB) of the heterotetrameric holoenzyme in potato tubers, but the relevance of this mechanism to regulate starch synthesis in leaves was not investigated. The work presented in this thesis shows that AGPase is subject to post-translational redox-regulation in leaves of pea, potato and Arabidopsis in response to day night changes. Light was shown to trigger posttranslational redox-regulation of AGPase. AGPB was rapidly converted from a dimer to a monomer when isolated pea chloroplasts were illuminated and from a monomer to a dimer when preilluminated leaves were darkened. Conversion of AGPB from dimer to monomer was accompanied by an increase in activity due to changes in the kinetik properties of the enzyme. Studies with pea chloroplast extracts showed that AGPase redox-activation is mediated by thioredoxins f and m from spinach in-vitro. In a further set of experiments it was shown that sugars provide a second input leading to AGPase redox activation and increased starch synthesis and that they can act as a signal which is independent from light. External feeding of sugars such as sucrose or trehalose to Arabidopsis leaves in the dark led to conversion of AGPB from dimer to monomer and to an increase in the rate of starch synthesis, while there were no significant changes in the level of 3PGA, an allosteric activator of the enyzme, and in the NADPH/NADP+ ratio. Experiments with transgenic Arabidopsis plants with altered levels of trehalose 6-phosphate (T6P), the precursor of trehalose synthesis, provided genetic evidence that T6P rather than trehalose is leading to AGPase redox-activation. Compared to Wt, leaves expressing E.coli trehalose-phosphate synthase (TPS) in the cytosol showed increased activation of AGPase and higher starch level during the day, while trehalose-phosphate phosphatase (TPP) overexpressing leaves showed the opposite. These changes occurred independently of changes in sugar and sugar-phosphate levels and NADPH/NADP+ ratio. External supply of sucrose to Wt and TPS-overexpressing leaves led to monomerisation of AGPB, while this response was attenuated in TPP expressing leaves, indicating that T6P is involved in the sucrose-dependent redox-activation of AGPase. To provide biochemical evidence that T6P promotes redox-activation of AGPase independently of cytosolic elements, T6P was fed to intact isolated chloroplasts for 15 min. incubation with concentrations down to 100 µM of T6P, but not with sucrose 6-phosphate, sucrose, trehalose or Pi as controls, significantly and specifically increased AGPB monomerisation and AGPase activity within 15 minutes, implying T6P as a signal reporting the cytosolic sugar status to the chloroplast. The response to T6P did not involve changes in the NADPH/NADP+ ratio consistent with T6P modulating redox-transfer to AGPase independently of changes in plastidial redox-state. Acetyl-CoA carboxylase (ACCase) is known as key-regulatory enzyme of fatty acid and lipid synthesis in plants. At the start of the present thesis there was mainly in vitro evidence in the literature showing redox-regulation of ACCase by DTT, and thioredoxins f and m. In the present thesis the in-vivo relevance of this mechanism to regulate lipid synthesis in leaves was investigated. ACCase activity measurement in leaf tissue collected at the end of the day and night in Arabidopsis leaves revealed a 3-fold higher activation state of the enzyme in the light than in the dark. Redox-activation was accompanied by change in kinetic properties of ACCase, leading to an increase affinity to its substrate acetyl-CoA . In further experiments, DTT as well as sucrose were fed to leaves, and both treatments led to a stimulation in the rate of lipid synthesis accompanied by redox-activation of ACCase and decrease in acetyl-CoA content. In a final approach, comparison of metabolic and transcript profiling after DTT feeding and after sucrose feeding to leaves provided evidence that redox-modification is an important regulatory mechanism in central metabolic pathways such as TCA cycle and amino acid synthesis, which acts independently of transcript levels.…
• Es ist bereits seit längerem bekannt, dass viele Enzyme des Calvinzyklus, des oxidativen Pentosephosphatwegs, des NAD(P)H-Exports und der ATP-Synthese durch post-translationale Redox-Modifikation in Antwort auf Licht reguliert werden. In der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, ob ein ähnlicher Mechanismus auch die Kohlenstoffspeicherung in Blättern reguliert. Vorangegangene Studien mit Kartoffelknollen zeigten, dass das Schlüsselenzym der Stärkesynthese ADP-Glukose-Pyrophosphorylase (AGPase) durch die Bildung einer Disulfidbrücke zwischen den zwei kleinen Untereinheiten (AGPB) des tetrameren Proteins inaktiviert wird, die Bedeutung dieses Mechanismus für die Stärkesynthese in Blättern blieb jedoch bislang ungeklärt. Die vorliegenden Arbeiten zeigen, das AGPase in Erbsen-, Kartoffel- und Arabidopsis-Blättern über post-translationale Redox-Modifikation in Antwort auf Tag-Nacht Änderungen reguliert wird. Dies erfolgt über ein Licht-abhängiges Signal, da, erstens, AGPB in isolierten Chloroplasten durch Belichtung sehr schnellEs ist bereits seit längerem bekannt, dass viele Enzyme des Calvinzyklus, des oxidativen Pentosephosphatwegs, des NAD(P)H-Exports und der ATP-Synthese durch post-translationale Redox-Modifikation in Antwort auf Licht reguliert werden. In der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, ob ein ähnlicher Mechanismus auch die Kohlenstoffspeicherung in Blättern reguliert. Vorangegangene Studien mit Kartoffelknollen zeigten, dass das Schlüsselenzym der Stärkesynthese ADP-Glukose-Pyrophosphorylase (AGPase) durch die Bildung einer Disulfidbrücke zwischen den zwei kleinen Untereinheiten (AGPB) des tetrameren Proteins inaktiviert wird, die Bedeutung dieses Mechanismus für die Stärkesynthese in Blättern blieb jedoch bislang ungeklärt. Die vorliegenden Arbeiten zeigen, das AGPase in Erbsen-, Kartoffel- und Arabidopsis-Blättern über post-translationale Redox-Modifikation in Antwort auf Tag-Nacht Änderungen reguliert wird. Dies erfolgt über ein Licht-abhängiges Signal, da, erstens, AGPB in isolierten Chloroplasten durch Belichtung sehr schnell von Dimer zu Monomer umgewandelt wird und, zweitens, ein Abdunkeln der Blätter zu einer schnellen Umwandlung von AGPB von Monomer zu Dimer führt. Die Monomerisierung von AGPB ging mit Änderungen in den kinetischen Eigenschaften des Enzyms einher, die zu einer Aktivierung führten. Studien mit Extrakten aus Erbsenchloroplasten zeigten, dass die AGPase-Redoxaktivierung in-vitro durch die Thioredoxine f und m aus Spinat vermittelt wird. In einem weiteren experimentellen Ansatz konnte gezeigt werden, dass auch Zucker zu Redox-Aktivierung der AGPase und erhöhter Stärkesynthese in Blättern führen, und dass diese unabhängig von Licht wirken. Externe Zugabe von Zuckern wie Saccharose oder Trehalose an Arabidopsis-Blätter im Dunkeln führten zu Monomerisierung von AGPB und einer Erhöhung der Stärkesyntheserate , während die Spiegel des allosterischen Aktivators 3PGA unverändert blieben und keine Änderungen im NADPH/NADP+-Verhältnis auftraten. Experimente mit transgenen Arabidopsis-Pflanzen mit veränderten Spiegeln des Vorläufers der Trehalosesynthese, Trehalose-6-phosphat (T6P), zeigten, dass T6P und nicht Trehalose zu Redox-Aktivierung von AGPase führt. Expression einer E. coli T6P synthase (TPS) im Zytosol führte zu erhöhter Redox-Aktivierung von AGPase und erhöhter Stäreksynthese in Blättern, während die Expression einer T6P-Phosphatase (TPP) gegenteilige Änderungen bewirkte. Diese Auswirkungen erfolgten unabhängig von Änderungen in den Spiegeln von Zuckern und Zuckerphosphaten oder im NADPH/NADP+-Verhältnis. Externe Zugabe von Saccharose führte zu Monomerisierung von AGPB in Wildtyp und TPS exprimierenden Blättern, während diese Antwort in TPP exprimierenden Blättern stark abgeschwächt war. Dies zeigt, dass T6P eine wesentliche Komponente darstellt, die die Redox-Aktivierung der AGPase in Antwort auf Saccharose vermittelt. T6P wurde auch für 15 min direkt an intakte, isolierte Erbsenchloroplasten gefüttert. T6P Konzentrationen im Bereich von 100 µM bis 10 mM führten zu einem signifikanten und spezifischen Anstieg der AGPB-Monomersierung und der AGPase Aktivität. Dies zeigt, dass T6P auch ohne zytosolische Elemente die Redox-Aktivierung der AGPase stimuliert und somit ein Signal zwischen Zytosol und Plastid darstellt. Diese Antwort erfolgte ohne Änderungen im NADPH/NADP+-Verhältnis, was zeigt, dass T6P eher den Redox-Transfer zu AGPase als den Redoxzustand des Chloroplasten moduliert. Acetyl-CoA-Carboxylase (ACCase) ist als Schlüsselenzym der Fettsäure- und Lipidsynthese in Pflanzen bekannt. Zu Beginn der vorliegenden Arbeit lagen hauptsächlich in-vitro Befunde vor, die zeigten, dass ACCase durch DTT und thioredoxine f und m über Redox-Modulation reguliert wird. In der Arbeit sollte daher die in-vivo Relevanz dieses Mechanismus für die Regulation der Lipidsynthese in Blättern untersucht werden. ACCase zeigte einen höheren Redox-Aktivierungszustand in Arabidopsis-Blätter, die während des Tages im Vergleich zur Nacht geerntet wurden. Die Redox-Aktivierung der ACCase wurde von Änderungen in den kinetischen Eigenschaften begleitet und führte zu einer erhöhten Affinität des Enzymes gegenüber Acetyl-CoA als Substrat. In weiteren Versuchen wurde sowohl DTT als auch Saccharose an Blätter gefüttert, und beide Behandlungen führten zu Redox-Aktivierung von ACCase, was mit erhöhten Lipidsynthesraten und einem Rückgang des Acetyl-CoA-Spiegels einherging.…