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Exploring the chloroplast ABC1-like kinase phosphoprotein network: roles in remodeling thylakoid lipid composition, photosynthesis and beyond.

English title Exploring the chloroplast ABC1-like kinase phosphoprotein network: roles in remodeling thylakoid lipid composition, photosynthesis and beyond.
Applicant Kessler Felix
Number 156998
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Laboratoire de Physiologie Végétale Institut de biologie Université de Neuchâtel
Institution of higher education University of Neuchatel - NE
Main discipline Cellular Biology, Cytology
Start/End 01.01.2015 - 28.02.2018
Approved amount 429'814.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Cellular Biology, Cytology
Biochemistry

Keywords (9)

Photosynthesis; Phosphoprotein network; Chloroplast; Phosphorylation; Lipid metabolism; Plastoglobules; Kinase; Lipids droplets; Phosphoproteomics

Lay Summary (German)

Lead
Erforschung des ABC1-Kinase Phosphoprotein NetwerksDécouverte du réseau phosphoprotéique des kinases ABC1Exploring the chloroplast ABC1-like kinase phosphoprotein networkLeadZahlreiche Vorgänge in einer Zelle werden durch Proteinphosphorylierung reguliert. Dabei übertragen Kinasen eine Phosphatgruppe auf ihr Zielprotein. In diesem Projekt wird die Rolle der neu entdeckten ABC1-Kinasen in der Regulation des Vitamin E Gehalts von Pflanzen und in der Schutzwirkung vor schädlichem oxidativem Stress untersucht. Ein Anwendungsziel dieses Projekts ist es Tomatensorten mit einem natürlicherweise stark erhöhten Vitamin E Gehalt zu züchten.
Lay summary

Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts

 

Phosphorylierung durch Kinasen reguliert die Aktivitäten und Interaktionen von Proteinen. Phosphatasen machen die Phosphorylierung und ihre Auswirkungen rückgängig. Die Photosynthese, welche unerlässliche Bestandteile unserer Nahrung mit Hilfe von Licht hergestellt, wird durch Phosphorylierung reguliert. Wichtige Schritte der Photosynthese finden in der Thylakoidmembran statt. Diese Membran enthält unter anderem Lipide wie Tocopherol (Vitamin E), Phylloquinon (Vitamin K) und Plastoquinon, welche für die Photosynthese und dem Schutz vor schädlicher Oxidation notwendig sind. Unter starkem Licht stellt eine Pflanze beispielsweise viel mehr Vitamin E  her, um die Photosynthese vor Oxidation zu schützen. Das Ziel ist es, die Rolle der ABC1-Kinasen in diesem Vorgang zu verstehen. Ein hightech Peptidchip wird angewendet werden, um mittels Phosphoproteomik die Zielproteine der ABC1-Kinasen zu finden. Wir werden auch die noch unbekannten Phosphatasen identifizieren, die die Wirkung der ABC1-Kinasen rückgängig machen. Daher wird das Projekt einen vollständigen Ueberblick über das ABC1-Kinase Phosphoprotein Netzwerk schaffen.

 

 

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

 

Diese Arbeiten sind von Interesse, da sie neuartige Einblicke in die Regulation der Photosynthese erlauben. Es liegt uns aber auch daran, die Resultate zur Anwendung zu bringen: dazu suchen wir mit modernsten Methoden nach neuen Tomatensorten, die Aufgrund von Veränderungen in den ABC1-Kinasen natürlicherweise grosse Mengen von Vitamin E herstellen.

 

Key words

 

Photosynthese, ABC1-Kinase, Vitamin E, Phosphoprotein, Netzwerk

Direct link to Lay Summary Last update: 08.10.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
University of Halle Germany (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
- Exchange of personnel
Neuchâtel Platform for Analytical Chemistry (NPAC) Switzerland (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

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Number Title Start Funding scheme
141229 New functions of plastoglobules in Vitamin E and K metabolism 01.08.2012 Project funding (Div. I-III)
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176191 Role of Plastoglobule Proteins in Photosynthesis and Plastoquinone Pool Regulation 01.03.2018 Project funding (Div. I-III)
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Abstract

Countless cellular processes are regulated by protein phosphorylation. Kinases transfer the phosphate groups to specific target proteins. Addition of a phosphate group may affect the activity or the ability of the substrate to interact with other proteins. Phosphatase activity is directly opposite to kinase activity and removes phosphate groups from target proteins reversing its effects. In agreement with the large number of processes regulated by protein phosphorylation the Arabidopsis genome accounts for an estimated 1160 kinases. However, surprisingly few predicted kinases (around a dozen) are present in chloroplasts. The best studied of these kinases are STN7 and STN8 implicated in state transition and D1 repair at the thylakoid membrane and thus function to optimize photosynthetic activity at the protein level. In contrast, the non-typical ABC1-like kinases (ABC1Ks) in chloroplasts reside on lipid droplets (plastoglobules, PG) and function to optimize photosynthesis by modifying the neutral lipid composition of the thylakoid membrane. This includes key electron transporters (plastoquinone and phylloquinone), antioxidants (tocopherols) and photoprotectants (carotenoids). This project aims at unraveling the ABC1K phosphoprotein network using state of the art techniques including phosphoproteomics using the Chlorophos 1.0 peptide chip covering the known chloroplast phosphoproteome and lipidomics to analyze the downstream effects of target phosphorylation. The question whether the prototypical ABC1-like is itself a target of kinase regulation will be addressed. By analyzing the known ABC1K target, tocopherol cyclase (VTE1) we will determine whether phosphorylation affects activity of the enzyme or its attachment to its site of action, the lipid droplets. The effects of ABC1K activity on lipid droplet protein and lipid composition will also be determined. The results will give important insight in the activity of the major group of chloroplast kinases and give way to translation into crop plants such as tomato.
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