English Title: Zusammenbau und Qualitätskontrolle der V-ATPase in Arabidopsis

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Abstract

The proteome of the model plant Arabidopsis thaliana is estimated to contain ~13000 non-redundant proteins (Baerenfaller et al., 2008). During their lifetime most of these proteins interact with each other, either via transient association or by assembling into stable protein complexes. These interactions are facilitated by chaperones and monitored by various quality control systems. This thesis presents data on both topics, using the plant vacuolar H+-ATPase (V-ATPase) as a model protein complex. In chapter 1 of this thesis the role of the ER localized proteins AtVMA12 and AtVMA22 are characterized in detail. Localization studies demonstrate that AtVMA22 is recruited to the ER membrane by AtVMA12. Artifical microRNAs directed against both assembly factors cause phenotypes characteristic for plants lacking V-ATPase activity, suggesting a pivotal role in V-ATPase assembly. Further biochemical characterization revealed a direct interaction between AtVMA12 and the integral membrane subunit VHA-a3 and an association of AtVMA22 with the peripheral subunit VHA-C of the V-ATPase. Taken together the results lead the author to postulate that AtVMA12 and AtVMA22 represent true assembly factors of the plant V-ATPase. In the second part of this work, the mechanism is characterized by which non-functional V-ATPase complexes are retained in the ER. Using a combination of pharmacological and genetic approaches it is demonstrated that V-ATPase activity and the membrane associated chaperone calnexin are required to retain non-functional protein complexes. However, non-functional complexes escaping the quality control negatively affect the fitness of the plant, underpinning the importance of a QC that retains non-functional proteins.

Translation of abstract (German)

Das Proteom der Modellpflanze Arabidopsis thaliana wird auf ~ 13.000 nicht-redundante Proteine geschätzt (Baerenfaller et al., 2008). Die meisten dieser Proteine interagieren miteinander entweder über transiente Assoziationen oder durch den Aufbau von stabilen Protein-Komplexen. Diese Interaktionen werden von Chaperonen katalysiert und von verschiedene Qualitätskontrollen überwacht. Anhand des hier verwendeten Modell-Protein-Komplex, der vakuolären H+-ATPase (V-ATPase), widmet sich diese Arbeit sowohl der Qualitätskontrolle, als auch der Interaktion von Chaperonen. In Kapitel 1 dieser Arbeit wird die Rolle der ER lokalisierten Proteine AtVMA12 und AtVMA22 im Detail charakterisiert. Lokalizationstudien zeigen, dass AtVMA22 von AtVMA12 zur ER-Membran rekrutiert wird. Expression von microRNAs gegen beide putative Assembly Faktoren verursacht Phänotypen die charakteristisch für Pflanzen mit fehlender V-ATPase-Aktivität sind. Dies weißt darauf hin, dass beide Proteine eine entscheidende Rolle bei dem Zusammenbau der V-ATPase haben. Eine eingehendere biochemische Charakterisierung zeigte dass AtVMA12 direkt mit einer integralen Untereinheit VHA-a3 und AtVMA22 mit der peripheren Untereinheit VHA-C der V-ATPase interagiert. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass AtVMA12 und AtVMA22 spezifische Chaperone darstellen, die für den Zusammebau der V-ATPase erforderlich sind. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird ein Mechanismus vorgestellt, der nicht-funktionellen V-ATPase-Komplexe im ER zurückhält. Unter Verwendung von pharmakologischen und genetischen Ansätzen konnte nachgewiesen werden, dass aktive V-ATPase Komplexe und das membran-assoziierte Chaperon Calnexin erforderlich sind, um nicht-funktionellen Protein-Komplexe im ER zurückzuhalten. Schlägt die Qualitätskontrolle von nicht-funktionalen Komplexen fehl, wird die Fitness der Pflanze negativ beeinflusst, was die Bedeutung einer funktions-abhängigen Qualitätskontrolle unterstreicht.