Respiratory NAD(P)H dehydrogenases of plants - Gene identity and expression in response to light and cold

Abstract: Popular Abstract in Swedish Respirationen i både växter och djur kan delas upp i tre delar: glykolysen, citronsyracykeln och elektrontransportkedjan. Glykolysen sker i cytoplasman (cellvätskan), medan citronsyracykeln och elektrontransportkedjan verkar i mitokondrierna. Mitokondrier fungerar som cellernas motorer. De är ungefär lika viktiga för cellen som motorn är för en bil. Mitokondrierna är små (ca 1-3 mikrometer på längden) och det kan finnas flera hundra av dem inne i en enda cell. Varje mitokondrie omges av två membran, varav det inre är kraftigt veckat. Respirationen går ut på att energi i kolhydrater omvandlas till energi i ATP-molekyler. Nästan alla uppbyggande processer i cellen, t. ex. DNA-, protein eller fettsyntes, kräver ATP som energikälla. Då syre finns tillgängligt i cellen, produceras ATP till stor del via elektrontransportkedjan, som återfinns i mitokondriernas inre membran. Växternas elektrontransportkedja innehåller extra enzymer jämfört med djurens. Under min doktorandtid har jag ägnat mig åt de extra enzymerna, för att förstå vad de har för funktion i växten. De extra enzymerna i växternas elektrontransportkedja består av NAD(P)H-dehydrogenaser samt det alternativa oxidaset. De här enzymernas aktivitet gör att energiomvandlingen, som leder till produktion av ATP, till synes blir mindre effektiv. Vilken nytta gör de i växterna? Från potatisblad isolerade vi DNA-bitar, som troligen motsvarar två av växternas extra NAD(P)H-dehydrogenaser. DNA-isoleringen var möjlig tack vare att andra forskare tidigare hade identifierat liknande gener i en bakterie och i en jästsvamp. Vi visade att vårt DNA var mycket likt DNAt från bakterien och jästsvampen (Artikel I). Med experiment kunde vi också visa att enzymerna, som motsvarar våra DNA-bitar, hamnar på olika sidor av det inre mitokondriemembranet. Då E. coli-bakterier fick tillverka ”våra enzymer”, såg vi att det ena enzymet (NDA1) är starkare kopplat till membran jämfört med det andra (NDB1). Gener i levande organismer är aktiva i olika grad. Ibland kan en gen helt stängas av. Ett sätt att mäta en gens aktivitet är att ta reda på koncentrationen av RNAt, som hör till genen. Då vi satte potatisplantor i mörker tre dygn, såg vi att det nästan inte fanns något RNA kvar för nda1-genen, medan de tre andra undersökta genernas RNA låg kvar på samma nivå som före mörkerbehandlingen. När potatisplantorna sattes ut i ljus igen, steg RNA-koncentrationen för nda1-genen snabbt. Alltså är nda1-genen beroende av ljus för att vara aktiv (Artikel II). Vi visade också att nda1-genens ljusberoende får konsekvenser för hur mycket NDA-protein som finns, och hur stor kapacitet växten har att oxidera NADH via ett extra NADH-dehydrogenas. Ljusberoendet för nda1-genen antyder, att motsvarande enzym har en funktion kopplad till fotosyntesen. I växtbladsmitokondrier finns så kallade fotorespiratoriska enzymer. De är endast aktiva vid fotosyntes. Mycket tyder på att NDA1-enzymet har en fotorespiratorisk roll. Det kan vara viktigt för att undvika en skadligt hög koncentration av NADH inne i växtbladsmitokondrier. För att kunna bevisa att NDA1-enzymet har en fotorespiratorisk funktion, behöver dock fler experiment göras. Då vi utsatte potatisplantor för kyla (5ºC), visade det sig att nda1-genens aktivitet minskade. Vi såg också att minskningen syntes på protein- och enzymaktivitetsnivå (Artikel III). Den här minskningen kan bero på lägre fotorespiratorisk aktivitet i samband med kyla. Alternativt gör minskningen att växten begränsar bildningen av skadliga fria radikaler. I den här avhandlingen visar jag att det också finns en ljusreglerad nda1-gen i Arabidopsis (backtrav), som är ett oansenligt ogräs. Väldigt många växtforskare ägnar sig åt backtrav och dess gener, för att det är en tacksam växt att jobba med. Den är lättodlad och växer snabbt. Dessutom innehåller den relativt lite DNA. Allt DNA i backtrav är nu sekvenserat. Med andra ord är det lättare att studera enskilda gener i backtrav än i andra växter. Om vi förstår hur generna fungerar i backtrav, kommer vi att kunna tillämpa den kunskapen på ekonomiskt betydande växter. Ljusregleringen av nda1-genen i backtrav antyder, att det finns ljusreglerade nda1-gener i stora delar av växtriket, eftersom potatis och backtrav är avlägsna släktingar. I backtrav hittade vi totalt sju gener, som troligen kodar för extra NAD(P)H-dehydrogenaser. Många viktiga experiment kvarstår för att kartlägga generna, som kodar för växternas extra NAD(P)H-dehydrogenaser, men nu har vi kommit en bit på väg.