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BIOspektrum | 03.12 | 18. Jahrgang

DOI: 10.1007/s12268-012-0185-9© Springer-Verlag 2012

ó Chloroplasten, die photosynthetischenOrganellen der Pflanzen, sind durch Endo -symbiose aus einem Cyanobakterium ent-standen. Im Laufe der Evolution ist ein Groß-teil der cyanobakteriellen Gene in den Zell-kern der Wirtszelle gewandert. Viele Proteine,die von transferierten Genen codiert werden,werden im Zytoplasma synthetisiert undanschließend in die Chloroplasten importiert,wo sie essenzielle Funktionen erfüllen. Chlo-roplasten und Wirtszelle können nicht mehrals getrennte Organismen betrachtet werden.Ein chimärer Organismus mit neuen physio-logischen Fähigkeiten ist entstanden, dessenNachkommen heute als dominierende Pri-märproduzenten den gesamten Planetenbesiedeln. Die Evolution der Chloroplastenim Detail zu verstehen, ist schwierig, da die-se Endosymbiose mehr als eine Milliarde Jah-re zurückliegt.

Die Amöbe Paulinella chromatophora (Rhi-zaria) hat ungewöhnliche photosynthetischeEinheiten – sogenannte Chromatophoren –die morphologisch mehr Cyanobakterien alsChloroplasten ähneln (Abb. 1). Unsere Unter-suchungen haben gezeigt, dass Chromato-phoren unabhängig von und später als Chlo-roplasten aus Cyanobakterien entstanden sind[1]. Die Größe des Chromatophorengenoms

(eine Megabase) liegt zwischen der eines freilebenden Cyanobakteriums und der einesChloroplasten [2]. Im Zellkern von P. chro-matophora haben wir über 30 Gene identifi-ziert, die ursprünglich aus den Chromato-phoren stammen [3]. Gentransfer in denWirtszellkern ist schon von anderen bakte-riellen Endosymbionten berichtet worden.Das weitere Schicksal solcher transferiertenGene war allerdings bisher unbekannt, davon Endosymbionten anders als von Orga-nellen, nicht angenommen wird, dass sie miteinem Proteinimportapparat ausgestattet sind.

Interessanterweise codieren drei der trans-ferierten Gene in P. chromatophora (psaE,psaK1 und psaK2) für Untereinheiten desPhotosystems I (PSI), die im Chromatopho-rengenom fehlen. Mittels immunologischerund proteinbiochemischer Methoden konn-ten wir zeigen, dass die Proteine PsaE, PsaK1und PsaK2 im Zytoplasma der Wirtszelle syn-thetisiert werden und in die Chromatopho-ren importiert werden, wo sie mit Chromato-phoren-codierten PSI-Untereinheiten zu voll-ständigen PSI-Komplexen assemblieren [4].Der Mechanismus, durch den die Proteinedurch die Membranen, die das Chromatophorumgeben, importiert werden, ist unbekannt;allerdings gibt es Hinweise darauf, dass vesi-

kulärer Transport durch den Golgi-Apparatinvolviert sein könnte.

Unsere Ergebnisse charakterisieren P. chro-matophora als ein missing link in der Evo -lution eines Organells. Genauere Unter -suchungen der Fraktion des Chromatopho-renproteoms, die aus der Wirtszelle impor-tiert wird, sowie eine Entschlüsselung desImportweges könnten Aufschlüsse überMechanismen zulassen, die eine Wirtszelledazu befähigen, Bakterien als Endosymbion-ten zu „versklaven“ und in Organellen umzu-wandeln. ó

Literatur[1] Marin B, Nowack ECM, Melkonian M (2005) A plastid inthe making: evidence for a second primary endosymbiosis.Protist 156:425–432[2] Nowack ECM, Melkonian M, Glöckner G (2008)Chromatophore genome sequence of Paulinella sheds light onacquisition of photosynthesis by eukaryotes. Curr Biol18:410–418[3] Nowack ECM, Vogel H, Groth M et al. (2011)Endosymbiotic gene transfer and transcriptional regulation oftransferred genes in Paulinella chromatophora. Mol Biol Evol28:407–422[4] Nowack ECM, Grossman AR (2012) Trafficking of proteininto the recently established photosynthetic organelles ofPaulinella chromatophora. Proc Natl Acad Sci USA,doi:10.1073/pnas.1118800109

ISE-G1 Postdoc Preis 2011

Evolution eines photosynthetischen Organells

EVA NOWACK

CARNEGIE INSTITUTION FOR SCIENCE, STANFORD, CA, USA

Eva Nowack1999–2003 Biologiestudium,Universität zu Köln; 2004 Diplom. 2009 Promotion beiProf. Dr. M. Melkonian, Interna-tional Graduate School for Gene-tics and Functional Genomics,Köln. Seit 2010 Postdoc, Carne-gie Institution for Science, Stanford, CA, USA als DFG- Stipendiatin.

1Internationale Gesellschaft für Endocytobiologie

Korrespondenzadresse:Dr. Eva NowackCarnegie Institution for ScienceDepartment of Plant Biology260 Panama Street94305 Stanford, CA, USATel.: +1-(0)650-739-4238enowack@stanford.edu

˚ Abb. 1: Lichtmikroskopische (links) und elektronenmikroskopische (rechts) Aufnahme von Pau-linella chromatophora. Cr: Chromatophoren; M: „Mundöffnung“; N: Zellkern; P: Pseudopodium;Pm: Plasmamembran; T: Theka (aus Silikatplättchen zusammengesetzte Zellwand).