Zainteresowania badawcze

• biosynteza związków tetrapirolowych
• przekazywanie sygnału wstecznego (ang. retrograde signalling)
• reaktywne formy tlenu, w szczególności tlen singletowy oraz jego rola w indukcji sygnału wewnątrzkomórkowego
• fotosynteza
• metabolizm
• regulacja ekspresji genów
• odpowiedź na stres abiotyczny

Głównym modelem badawczym w mojej pracy jest Chlamydomonas reinhardtii.

Opis projektu

Tlen singletowy (¹O₂) wytwarzany w chloroplastach indukuje przekazywanie sygnału wstecznego z organellum do jądra, wywierając wpływ na ekspresję genów jądrowych. Celem obecnych badań jest identyfikacja mechanizmów odpowiedzialnych za przekazywanie sygnału indukowanego przez ¹O₂ oraz jego zależnością od aktywności enzymów szlaków metabolicznych lub stanem metabolicznym komórki (ang. metabolic signature).

Mutant C. reinhardtii niezdolny do biosyntezy chlorofilu oraz wykazujący wysoki poziom protoporfiryny IX, która generuje ¹O₂ na świetle, został poddany dodatkowej mutagenezie w celu izolacji mutantów niezdolnych do przekazywania sygnału indukowanego przez ¹O₂ (Al Youssef et al., 2023). Mutanty te nazwano „genomes uncoupled Singlet Oxygen Signalling” (gunSOS). Obecne badania dotyczą dalszej charakterystyki otrzymanych mutantów, w tym gunSOS1, u którego mutacja została zidentyfikowana w genie kodującym fosfatazę trehalozy 6-fosforanowej (ang. TREHALOSE-6-PHOSPHATE PHOSPHATASE, TSPP1). Na skutek mutacji w TSPP1, gunSOS1 charakteryzuje się wysokim poziomem trehalozy 6-fosforanowej (Tre6P), która prowadzi do znaczących zmian transkrypcyjnych i w konsekwencji poziomu metabolitów w komórce. Z analizy transkryptomicznej i profilowania metabolicznego wynika, że akumulacja lub niedobór niektórych metabolitów bezpośrednio wpływa na przekazywanie sygnału indukowanego ¹O₂. Na przykład, ekspresja genu PEROKSYDAZY GLUTATIONU 5 (ang. GLUTATHIONE PEROXIDASE 5, GPX5) jest zahamowana przez zwiększoną zawartość kwasu fumarynowego oraz kwasu α-ketoglutarowego (Al Youssef et al., 2023), produktów pośrednich w cyklu kwasów trikarboksylowych (cyklu TCA) w mitochondriach i metabolizmie dikarboksylanów w cytozolu, ale także mio-inozytolu, biorącego udział w metabolizmie fosforanu inozytolu i przekazywania sygnału fosfatydyloinozytolu. Mutant gunSOS1 wykazuje również niski poziom kwasu akonitynowego. Natomiast egzogenne dodanie akonitynianu do pożywki, przywróciło zdolność do przekazywania sygnału indukowanego ¹O₂ i ekspresję GPX5 w gunSOS1 (Al Youssef et al., 2023).

Co więcej, geny kodujące komponenty białkowe, których obecność została udokumentowana jako konieczna do przekazywania sygnału ¹O₂ z chloroplastu do jądra u C. reinhardtii, P-SUBUNIT OF PHOTOSYSTEM II FAMILY PROTEIN (PSBP2; Brzezowski et al., 2012), METHYLENE BLUE SENSITIVITY (MBS; Shao et al., 2013), oraz SINGLET OXYGEN ACCLIMATION KNOCKEDOUT1 (SAK1; Wakao et al., 2014), wykazały obniżone poziomy mRNA w gunSOS1 (Al Youssef et al., 2023). Ekspresja PSBP2, MBS i SAK1 w gunSOS1 została również przywrócona poprzez egzogenne dodanie kwasu akonitynowego do pożywki. Tym samym zostało wykazane, że przekazywanie sygnału wstecznego z chloroplastów indukowane ¹O₂ zależy od procesów zachodzących w mitochondriach i cytozolu, oraz że status metaboliczny komórki determinuje odpowiedź na ¹O₂ produkowany w chloroplastach (Al Youssef et al., 2023). Natomiast mechanizm odpowiedzialny za propagację przekazywania sygnału przez akonitynian pozostaje nieznany. Kwas akonitynowy jest enzymatycznym produktem akonitazy (ang. ACONITATE HYDRATASE, ACH1), którego ekspresja jest znacznie zmniejszona w szczepie gunSOS1 w porównaniu ze szczepem wyjściowym. Niemniej jednak, ekspresję ACH1 w gunSOS1 można również przywrócić za pomocą egzogennie zastosowanego akonitynianu. Udział akonitynianu w procesach przekazywania sygnału był dotyczczas nieznany. Natomiast wiadomym jest, że enzym ACH1 jest podatny na modyfikacje potranslacyjne (ang. post-translational modification, PTM) i wykazano, że odgrywa kluczową rolę w reakcjach na stres u roślin i zwierząt (Cairo et al., 2002; Moeder et al., 2007; Ternette et al., 2013; Lushchak et al., 2014; Bradley and Beltrao, 2019; Castro et al., 2019; Pascual et al., 2021; Meng et al., 2022). W ramach określonej hipotezy badawczej, zakładam że nie kwas akonitynowy, ale akonitaza jest odpowiedzialna za propagację sygnału indukowanego przez ¹O₂. Celem obecnych badań jest wyjaśnienie możliwych PTM wpływających na funkcję, lokalizację i rolę zmodyfikowanej ACH1 w przekazywaniu sygnału ¹O₂ u C. reinhardtii.

Literatura

• Al Youssef, W.A., Feil, R., Saint-Sorny, M., Johnson, X., Lunn, J.E., Grimm, B., and Brzezowski, P. (2023). Singlet oxygen-induced signalling depends on the metabolic status of the Chlamydomonas reinhardtii cell. Communications biology 6, 529.
• Bradley, D., and Beltrao, P. (2019). Evolution of protein kinase substrate recognition at the active site. PLoS Biol. 17, e3000341.
• Brzezowski, P., Wilson, K.E., and Gray, G.R. (2012). The PSBP2 protein of Chlamydomonas reinhardtii is required for singlet oxygen-dependent signaling. Planta 236, 1289-1303.
• Cairo, G., Recalcati, S., Pietrangelo, A., and Minotti, G. (2002). The iron regulatory proteins: targets and modulators of free radical reactions and oxidative damage. Free radical biology & medicine 32, 1237-1243.
• Castro, L., Tórtora, V., Mansilla, S., and Radi, R. (2019). Aconitases: Non-redox Iron-Sulfur Proteins Sensitive to Reactive Species. Accounts of chemical research 52, 2609-2619.
• Lushchak, O.V., Piroddi, M., Galli, F., and Lushchak, V.I. (2014). Aconitase post-translational modification as a key in linkage between Krebs cycle, iron homeostasis, redox signaling, and metabolism of reactive oxygen species. Redox Rep 19, 8-15.
• Meng, X., Li, L., Pascual, J., Rahikainen, M., Yi, C., Jost, R., He, C., Fournier-Level, A., Borevitz, J., Kangasjärvi, S., Whelan, J., and Berkowitz, O. (2022). GWAS on multiple traits identifies mitochondrial ACONITASE3 as important for acclimation to submergence stress. Plant Physiol.
• Moeder, W., Del Pozo, O., Navarre, D.A., Martin, G.B., and Klessig, D.F. (2007). Aconitase plays a role in regulating resistance to oxidative stress and cell death in Arabidopsis and Nicotiana benthamiana. Plant Mol. Biol. 63, 273-287.
• Pascual, J., Rahikainen, M., Angeleri, M., Alegre, S., Gossens, R., Shapiguzov, A., Heinonen, A., Trotta, A., Durian, G., Winter, Z., Sinkkonen, J., Kangasjärvi, J., Whelan, J., and Kangasjärvi, S. (2021). ACONITASE 3 is part of the ANAC017 transcription factor-dependent mitochondrial dysfunction response. Plant Physiol. 186, 1859-1877.
• Shao, N., Duan, G.Y., and Bock, R. (2013). A mediator of singlet oxygen responses in Chlamydomonas reinhardtii and Arabidopsis identified by a luciferase-based genetic screen in algal cells. Plant Cell 25, 4209-4226.
• Ternette, N., Yang, M., Laroyia, M., Kitagawa, M., O'Flaherty, L., Wolhulter, K., Igarashi, K., Saito, K., Kato, K., Fischer, R., Berquand, A., Kessler, B.M., Lappin, T., Frizzell, N., Soga, T., Adam, J., and Pollard, P.J. (2013). Inhibition of mitochondrial aconitase by succination in fumarate hydratase deficiency. Cell reports 3, 689-700.
• Wakao, S., Chin, B.L., Ledford, H.K., Dent, R.M., Casero, D., Pellegrini, M., Merchant, S.S., and Niyogi, K.K. (2014). Phosphoprotein SAK1 is a regulator of acclimation to singlet oxygen in Chlamydomonas reinhardtii. eLife 3, e02286.

Finansowanie obecnych badań

Badania realizowane jako część projektu nr 2022/47/P/NZ1/01947 w ramach programu POLONEZ BIS współfinansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki oraz programu ramowego Unii Europejskiej w zakresie badań naukowych i innowacji Horyzont 2020 na podstawie umowy nr 945339 w ramach działań „Marie Skłodowska-Curie”.

Curriculum vitae kierownika projektu

• 2017-2021, AG Pflanzenphysiologie, Institut für Biologie, Lebenswissenschaftliche Fakultät, Humboldt Universität zu Berlin, Germany, Wissenschaftlicher Mitarbeiter/Postdoctoral researcher
  • "Discovery and characterization of the TREHALOSE 6-PHOSPHATE PHOSPHATASE enzymatic function in Chlamydomonas reinhardtii."
  • "Discovery of the singlet oxygen signaling depending on the metabolic status of the C. reinhardtii cell (fumarate and aconitate/ACONITASE moonlighting function)."
• 2016-2017, Laboratoire de Bioénergétique et Biotechnologie des Bactéries et Microalgues, Institut de Biosciences et Biotechnologies, Aix-Marseille University, CEA Cadarache, Saint-Paul-lez-Durance, France, Ingénieur Chercheur/Postdoctoral researcher
  • "Study of the alternative pathways of photosynthetic electron transfer and carbon metabolism in C. reinhardtii."
  • "Discovery and characterization of the biochemical feedback loop between photosynthetic electron transport chain (redox state of the plastoquinone pool) and tetrapyrrole biosynthesis."
  • "Characterization of the metabolic interactions between carbon metabolism and photosynthetic electrontransport in C. reinhardtii mutant without CO₂ fixation by RuBisCO."
• 2012-2015, AG Pflanzenphysiologie, Institut für Biologie, Lebenswissenschaftliche Fakultät, Humboldt Universität zu Berlin, Germany, Wissenschaftlicher Mitarbeiter/Postdoctoral researcher
  • "Characterization of the GENOMES UNCOUPLED 4 protein function in chlorophyll biosynthesis and chloroplast-to-nucleus signalling in C. reinhardtii."
  • "Characterization of the CHLI1 and CHLI2 subunits in function of Mg-chelatase in chlorophyll synthesis and retrograde signaling."
• 2006-2012, Doctor of Philosophy, Algal Functional Genomics, Department of Biology, College of Arts and Science, University of Saskatchewan, Saskatoon, SK, Canada, Natural Sciences, Biology
  • “The role of reactive oxygenspecies in the retrograde chloroplast-nucleus signalling pathway”, Prof. Kenneth E. Wilson and Prof. Gordon R.Gray
• 2002-2004, Master of Science, Plant Physiology, Biology, Natural Sciences Department, University of Wroclaw, Poland, Natural Sciences, Biology (Botany, Plant Physiology)
  • “Characterization of the plasma membrane Ca²⁺-ATPase of Cucumis sativus L. root cells”, Dr. Katarzyna Kabała and Prof. Grażyna Kłobus
• 1999-2002, Bachelor of Science, Biology, Natural Sciences Department, University of Wroclaw, Poland, Natural Sciences, Biology
  • “Endosymbiosis as the beginning of eukaryotic organisms and the symbiosis as the condition of life”, Prof. Grażyna Kłobus

Publikacje

Spis publikacji