FAX-Proteine in Arabidopsis thaliana : Struktur, Lokalisation und Funktion im Fettsäuretransport

Abstract

Fettsäuren sind essentielle Bausteine zellulärer Lipide und werden in Pflanzen im Stroma der Plastiden synthetisiert. Der Aufbau von Lipiden kann in Plastiden (prokaryotic pathway) oder im endoplasmatischen Retikulum (eukaryotic pathway) erfolgen. Das Protein FAX1 (Fatty Acid Export 1), das in die innere Chloroplastenmembran inseriert und eine essentielle Rolle im Export von Fettsäuren aus Plastiden spielt, besitzt eine Rolle bei der Pflanzenentwicklung, Biomassenproduktion und Fruchtbarkeit (Li et al., 2015). In Arabidopsis sind sieben FAX Proteine bekannt. Sequenzanalysen von FAX1-7 führten zur Entwicklung eines neuen Modells für Topologie und Funktion, basierend auf der Membran-krümmenden Eigenschaft von Proteinen, die amphiphile α-Helices enthalten (Könnel et al., 2019). GFP-Targeting Experimente bestätigten eine Lokalisation von FAX5-FAX7 in Membranen des sekretorischen Weges. Weiterhin wurde die Fettsäure-Transportfunktion der FAX-Proteine mittels eines funktionellen Transportassays in Hefe nachgewiesen. Eine Charakterisierung von Mutanten in Arabidopsis zeigte, dass FAX5 und FAX6 als Isoformen in Membranen von ER, Trans Golgi Netzwerk und frühen Endosomen, eine Rolle im gleichen Stoffwechselweg wie FAX1 in Plastiden spielen könnten. Zudem bildet die Etablierung und Optimierung der rekombinanten Expression und Proteinaufreinigung von FAX1 in E. coli die Grundlage für weitere strukturelle und funktionelle Studien der FAX-Proteine.

Fatty acids are essential building blocks of cellular lipids and are synthesized in plants within the plastid stroma. Assembly of lipids can occur in plastids (prokaryotic pathway) or in the endoplasmic reticulum (eukaryotic pathway). The fatty acid export protein FAX1 (Fatty Acid Export 1), which is located in the inner envelope of chloroplasts and is essential for fatty acid export in plastids, plays an important role in plant development, biomass production and fertility (Li et al., 2015). In A. thaliana seven FAX proteins are known. Sequence analyses of FAX1-7 lead to a new model on protein structure and function. This model is based on amphiphilic α-helices-containing proteins and their role in membrane curvature (Könnel et al., 2019). GFP-Targeting verified a predicted localization of FAX5-FAX7 in membranes of the secretory pathway. Further, the transport function of FAX proteins was proven by a functional transport assay in yeast. A characterization of mutants in Arabidopsis showed that FAX5 and FAX6, representing isoforms in membranes of ER, Trans-Golgi-Network and early endosomes, might play a role in the same pathway as the plastidic protein FAX1. Further, establishment and optimization of the recombinant expression and protein purification of FAX1 in E. coli set the basis for further structural and functional studies of FAX membrane proteins.