"Science"-studie: Mechanisme voor afbraak van chloroplasten-eiwitten opgehelderd

Chloroplasten zijn de plaats van fotosynthese en behoren tot de plastiden, waarvan er vele soorten met verschillende functies bestaan. Plastiden van één soort kunnen zich differentiëren in andere soorten. Met de Kaiserslauterer bioloog Dr. Raphael Trösch hebben onderzoekers uit Oxford voor het eerst aangetoond hoe membraangebonden receptoren in chloroplasten worden afgebroken, die verantwoordelijk zijn voor de opname van fotosynthese-relevante eiwitten. De hoeveelheid receptoren zou een rol kunnen spelen bij de differentiatie van plastiden. Interessant zijn de resultaten bijvoorbeeld voor de biotechnologische productie van pigmenten in plastiden. De studie is verschenen in het vakblad Science.

Plastiden zijn kleine celorganellen die een eigen genoom bezitten en zich door een eigen membraan afscheiden van de rest van de cel. In planten vervullen ze verschillende taken: chloroplasten voeren bijvoorbeeld fotosynthese uit en amyloplasten slaan zetmeel op. Het bijzondere is dat plastiden zich kunnen differentiëren. Ze bezitten een hoge plastiditeit. Vandaar ook hun naam. "Een tomaat is aanvankelijk groen om fotosynthese uit te voeren," noemt bioloog Dr. Raphael Trösch van de Technische Universiteit Kaiserslautern (TUK) als voorbeeld. "Met de tijd wordt hij rood en verzamelt de pigmentstof lycopeen. De chloroplasten veranderen in chromoplasten en nemen een nieuwe taak op zich."

Om fotosynthese te kunnen uitvoeren, hebben chloroplasten veel verschillende eiwitten nodig. De meeste worden echter niet in het celorganell zelf gevormd, maar in het cytoplasma. "Om ze naar de chloroplasten te transporteren, zijn er transporteiwitten in het chloroplastenmembraan," legt Trösch uit, die onderzoek doet op het gebied van eukaryote genetica. "Deze binden aan receptoren die ofwel specifiek fotosynthese-eiwitten herkennen, of aan die welke andere eiwitten herkennen."

Samen met het team rond de twee eerste auteurs van de studie, Qihua Ling en William Broad van de Universiteit van Oxford, heeft Trösch bij cellen van de akker-schelpen onderzocht hoe het afbraakproces van de receptoren die de fotosynthese-eiwitten herkennen eruitziet. "Bij andere celmembranen bestaan al goed onderzochte afbraaksystemen voor membraanproteïnen," vervolgt de onderzoeker.

Voor het eerst hebben de wetenschappers nu ook bij chloroplasten een vergelijkbaar mechanisme in detail bestudeerd en de drie betrokken moleculen geïdentificeerd. De afbraak verloopt als volgt: "Om de receptor te verwijderen, moet deze eerst worden gemarkeerd. Vervolgens trekken specifieke eiwitten onder gebruik van energie de gemarkeerde receptor door een kanaal, waarna deze in het cytoplasma kan worden afgebroken. Deze eiwitten vormen min of meer onderdeel van de afvalophaal van de cel," vergelijkt Trösch. Het cellulaire afbraaksysteem vergelijkt hij met boswerkzaamheden, waarbij een boswachter eerst zieke of verrotte bomen markeert met een "X". Vervolgens vellen de bosarbeiders de gemarkeerde bomen, zonder zelf te weten waarom deze verwijderd moeten worden.

Het mechanisme hebben de onderzoekers "Chloroplast-associated protein degradation" (CHLORAD, in het Nederlands: chloroplasten-gefokte eiwitafbraak) genoemd. Hiermee kan een plantencel de hoeveelheid van specifieke receptoren regelen; en daarmee mogelijk bepalen hoeveel fotosynthese-eiwitten een chloroplast opneemt. Het zou ook een belangrijke rol kunnen spelen bij de differentiatie, vermoeden de onderzoekers. De exacte taak ervan moet echter in verdere studies worden opgehelderd.

De resultaten zijn onder andere interessant voor de biotechnologie. Plantaardige kleurstoffen uit chloroplasten worden bijvoorbeeld gebruikt in cosmetica, als zonnebrandmiddel, voedings- of geneesmiddel. De bevindingen helpen om de basis van de plastiden-differentiatie beter te begrijpen. Natuurlijke kleurstoffen zouden in de toekomst misschien in grotere hoeveelheden en eenvoudiger in gedifferentieerde plastiden kunnen worden geproduceerd.

De studie is verschenen in het gerenommeerde vakblad Science: "Ubiquitin-dependent chloroplast-associated protein degradation in plants". Qihua Ling, William Broad, Raphael Trösch, Mats Töphel, Tijen Demiral Sert, Panagiotis Lymperopoulos, Amy Baldwin, R. Paul Jarvis.

http://science.sciencemag.org/content/363/6429/eaav4467.long

DOI: 10.1126/science.aav4467