In h?heren Pflanzen vermittelt der Blaulicht-sensitive Photorezeptor Phototropin verschiedene Reaktionen wie Phototropismus, Chloroplastendrehung und die ?ffnung von Schlie?zellen. Alle Reaktionen haben mit der Optimierung der pflanzlichen Lichtaufnahme und damit einer angepa?ten Photosynthese sowie der Vermeidung von Lichtsch?digung zu tun. In C.reinhardtii haben alle Phototropinreaktionen mit dem Sexualleben dieser Alge zu tun, d.h. Gametogenese, sexueller Kompetenz sowie der Keimung von Zygoten. Diese Doktorarbeit wurde Ende 2001 begonnen und verlief parallel zu den Arbeiten von Huang. Im Unterschied zu den Ergebnissen von Huang war das Chlamydomonas Phototropin in meinen H?nden unl?slich. Das Protein war nicht komplett membranassoziiert, sondern ein Teil des Proteins blieb immer l?slich. Die Phototropinmenge sowie die Verteilung waren in vegetativen Zellen, die unter Stark- oder Schwachlicht gewachsen waren, unterschiedlich. Deshalb wurde fš¹r diesen Unterschied Licht als wesentlicher Faktor verantwortlich gemacht. Jedoch zeigen verschiedene St?mme bei vegetativem Wachstum unter identischen Lichtbedingungen unterschiedliche Phototropinmengen. Das deutet auf weitere Faktoren hin, die Konzentration und Verteilung von Phototropin beeinflussen. In Chlamydomonas wurde neben dem Volll?ngenprodukt noch eine c-terminal verkš¹rzte Phototropinvariante gefunden. Licht wurde als Verursacher der Verkš¹rzung identifiziert. Aber nur lange Belichtungen von ca. 48 h fš¹hrten je nach Intensit?t zu klaren Abbaumustern. Fš¹r das Studium der Beteiligung des Phototropins am Sexualleben von Chlamydomonas, sollte ein Phot- Stamm generiert werden. Dazu wurde ein RNAi-Konstrukt hergestellt, mit dem es m?glich war, im Stamm cw15 arg- A das Phototropin bis auf 10% des Originalniveaus zu reduzieren. Leider funktionierte das Konstrukt in anderen St?mmen nicht zuverl?ssig. Im Stamm CC32pab1mt(+) konnte nur ein Klon mit einer Reduktion auf 15% des Originalniveaus erreicht werden. Au?erdem war die Silencing-Effizienz stark von den Wachstumsbedingungen abh?ngig. Die beste Reduktion wurde bei niedrigen Lichtintensit?ten gefunden. Es wurde ein weiterer Kreuzungstest etabliert, der fš¹r die Analyse der Zygotenkeimung verschiedene Vorteile gegenš¹ber bekannten Tests liefert. Aus den durchgefš¹hrten Tests konnte geschlossen werden, dass Licht auch ein wesentlicher Faktor fš¹r die Zygotenkeimung ist. Bei mittleren Lichtintensit?ten keimen Zygoten mit wenig Phototropin sp?ter. Starklicht kann diesen Mangel weitgehend kompensieren. Zur biochemischen Analyse des Phototropins in vitro war die Expression eines markierten Phototropins notwendig. Zur Analyse des Phototropinabbaus und fš¹r die sp?tere Reinigung wurde auch versucht, Phototropin in verschiedenen Gastorganismen zu exprimieren. In dieser Arbeit wurde Phototropin in Xenopus Oocyten und Diatom?en exprimiert. Diese Versuche haben best?tigt, dass das Phototropinabbauprodukt vom selben Gen wie das Volll?ngenprotein resultiert. Durch Expression der Phot-Mutante S57S/C250S konnte auch gezeigt werden, dass die Aktivierung des Phototropins keine Voraussetzung fš¹r den Abbau ist. Erstmalig konnte auch Phototropin als Fusionsprotein in Chlamydomonas exprimiert werden. Das Fusionsprotein wurde gereinigt und die Identit?t massenspektrometrisch verifiziert. Es wurde ein Stamm gefunden, der nur eine verkš¹rzte Variante des Phototropins exprimiert. Das Produkt war besser l?slich als die Volll?ngenversion. Eine Gro?produktion sollte fš¹r die Reinigung und nachfo! lgende Kristallisation angesetzt werden. Tandem Affinit?tsreinigungen sollten fš¹r die Identifizierung von Reaktionspartnern durchgefš¹hrt werden. / Abstract In higher plants, phototropin is in charge of phototropism (Liscum, 2002), chloroplast relocation (Wada et al., 2003) and stomatal opening (Schroeder et al., 2001). All its functions are connected with plants' modulation to the surrounding light conditions so that plants can make the best use of light for photosynthesis and dodge harmful strong light. In C.reinhardtii, all its reported functions are connected to the sexual life of this green alga, i.e. gametogenesis, maintenance of gamete competence and zygote germination. This PhD work started at the end of 2001 and went on in parallel with Huang's work. Different from Huang's observation that phototropin was insoluble (Huang et al., 2002), it was found that phototropin existed not only as a membrane associated protein, a portion of phototropin always remained soluble. Phototropin levels and distributions were different between vegetative cells grown in strong light or in darkness. Light was thought to be the essential factor that caused this difference. But, different strains grown vegetatively under same light conditions showed that the levels of phototropin and its distributions varied. This suggested the existence of other factors in the determination of its level and distribution. A C-terminus degradation product of phototropin was found as a stable component in C. reinhardtii. Light was found as a reason that caused the degradation. However, short time of illumination with strong light (up to 2 h) did not evoke the degradation machinery. In light gradient experiment, long time illumination (~48h) with different light intensity showed a clear degradation pattern. To study phototropin involvement in Chlamydomonas sexual life, a Phot1- strain was needed. An RNAi phototropin construct was made. It managed to reduce the level of phototropin in strain cw15 arg- A down to 10% of its original level. However, the construct did not work properly in other strains. Only one transformant of strain CC32pab1mt(+) with a reduction of the phototropin level to around 15% of the original level was found. Under different growth conditions, the silencing efficiency varied. The best silencing result appeared when cells were grown under low light conditions. A new mating assay was established in this work, which has many benefits over the traditional way of studying zygote germination. The conclusion was drawn from this assay that light was the primary factor that determines zygote germination; under moderate light conditions, zygotes with higher phototropin level would germinate earlier; strong illumination could compensate the difference caused by the low phototropin level in zygote germination. For phototropin function analysis in vitro, a Chlamydomonas strain that over-expressed phototropin was in need. To prove that the suspected degradation product originated from the phototropin gene and to purify phototropin for crystallization, trials to express C.r. phototropin cDNA in different organisms were also made. Phototropin was expressed in Xenopus oocytes and diatom in this work. The expression pattern confirmed that both the full-length and the suspected degradation product did originate from the same phototropin gene. It was also found that the degradation was independent on phototropin activation state by expressing C.r. Phot1 (C57S, C250S) in oocytes. For the first time, recombinant phototropin got expressed in Chlamydomonas by fusion expression strategy. The fusion product was purified and the identity was confirmed by Mass Spectrometry analysis. One strain which expressed only a C-terminus truncation version of the fusion product was found. Compared with the full length product, this mutant had better solubility and was easier to be purified. Large scale of purification should be performed to obtain enough material for crystallographic studies. Tandem affinity purification (TAP) tag should also be performed in Chlamydomonas proteomic studies about phototropin.

Die lichtaktivierte Kinase Phototropin aus Chlamydomonas reinhardtii, die photoaktivierte Adenylatcyclase (PAC) aus Euglena gracilis und das BLUF-Protein Slr1694 aus Synechocystis sp. PCC 6803 wurden in Hinblick auf die molekularen Details der primären photochemischen Prozesse sowie der Signalweiterleitung untersucht. Phototropin wurde mit Hilfe von Arginin aus Escherichia coli in Milligramm Mengen isoliert. Ohne Arginin wurde E. coli cAMP Rezeptorprotein assoziiert aufgefunden, welches eine hohe Homologie zu einer cAMP aktivierten Kinase aus C. reinhardtii besitzt. Volllängen Phototropin bildet wie einzelne LOV-Domänenkonstrukte ohne Kinasedomäne den Flavin-Triplettzustand und das kovalente Cysteinyl-Addukt. Der Zerfall des Signalzustandes ist in Anwesenheit von ATP beschleunigt und deutet auf Photorezeptor-Kinase Interaktion hin. Strukturelle Änderungen in der Kinasedomäne wurden durch FTIR-Differenzspektroskopie gezeigt. Über ELDOR-Spektroskopie wurde der Abstand der Photorezeptordomänen auf etwa 25 Angstrom bestimmt. Mutationen in Slr1694 an S28, N31 und W91 zeigten keine konservierten Einfluss auf die Dynamik des Signalzustands. Die Entfernung der Seitenkette von S28 führte zu einer 15 nm Rotverschiebung des Absorptionsspektrums aufgrund veränderter Wasserstoffbrückenkoordination des Kofaktors. Die Einführung von positiv geladenen Seitenketten an Stelle von N31 erhöhte die Kofaktorbindung von phosphorylierten Flavinen. Künstliche Kofaktoren wie Roseoflavin konnten in Slr1694 durch Koexpression eines prokaryotischen Flavintransporters erreicht werden. Die Rolle von M152 in PAC für die Signalweiterleitung wurde anhand der lichtaktivierten cAMP Synthese-Aktivität gezeigt. Durch ultraschnelle IR-Spektroskopie wurde die Beteiligung der Seitenketten von Y8 sowie Q50 bestätigt und eine genauere Beschreibung der Wasserstoffbrücken im langlebigen Signalzustand ermöglicht. / The light activated kinase Phototropin from Chlamydomonas reinhardtii, the photoactivated adenylylcyclase (PAC) from Euglena gracilis and the BLUF protein Slr1694 from Synechocystis sp. PCC 6803 were investigated concerning the molecular details of the primary photochemistry as well as signal transduction. Phototropin was isolated from Escherichia coli in mg amounts after solubilization with arginine. Without arginine E. coli cAMP receptor protein, which shows high homology to a cAMP activated kinase from C. reinhardtii, was copurified. Full length Phototropin shows similar photochemistry to LOV-domain containing proteins without the kinase including triplet and covalent cysteinyl adduct formation. Signaling state decay is accelerated in the presence of ATP and suggests photoreceptor-kinase interaction. FTIR spectroscopy showed light induced structural changes in the kinase domain. The distance of the photoreceptor domains of 25 Angstrom was determined by ELDOR spectroscopy. Mutation of the side chains of S28, N31 and W91 in Slr1694 showed no conserved influence on the dynamic of the signaling state. Removal of the hydroxyl group of S28 lead to a 15 nm red shift of the absorption spectrum as a result of altered hydrogen bond coordination of the cofactor. Introduction of positively charged side chains at the position of N31 strengthened the binding of phosphorylated flavins. An artificial flavin like roseoflavin was introduced in Slr1694 by coexpression of a bacterial flavin transporter. The essential role of M152 in PAC for signal transduction was shown by determination of light activated cAMP synthesis activity. Ultrafast IR spectroscopy confirmed the contribution of Y8 and Q50 in the photocycle and gave a more detailed description of the hydrogen bonding situation in the signaling state.