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Almost all mammalian cells contain energy-producing organelles called mitochondria. Phosphatidylethanolamine (PE) is a phospholipid which has been implicated to be important for mitochondrial function. The majority of mitochondrial PE is synthesized in mitochondria using the phosphatidylserine decarboxylase (PSD) pathway. To test the hypothesis that PE made from the PSD pathway is required for mitochondrial function, three Chinese Hamster Ovary Cell lines with different PSD-pathway defects were studied. These three cell lines referred to as PSB-2, R-41, and PSD knockdown cells all had ~35% reductions in mitochondrial PE levels compared to the parental cell line. As a result, the mitochondria from all three cell lines have abnormally high sedimentation densities and increased membrane potentials. However, the energy production, motility, and morphologies of each type of mutant mitochondria were each distinctly different from their parental cell line. / Experimental Medicine

Die durch Phosphatidylserin Decarboxylase (PSD) katalysierte Decarboxylierung von Phosphatidylserin (PS) zu Phosphatidylethanolamin (PE) ist für Mitochondrien in Hefe und Mäusen von essentieller Bedeutung. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde erstmals die Rolle dieses PE-Syntheseweges in Pflanzen untersucht. Die drei in Arabidopsis identifizierten PSD Gene atPSD1, atPSD2, atPSD3 codieren für Enzyme, die in Membranen der Mitochondrien (atPSD1), der Tonoplasten (atPSD2) und des Endoplasmatischen Retikulums (atPSD3) lokalisiert sind. Der Beitrag der einzelnen PSDs zur PE-Synthese wurde anhand von psd Null-Mutanten untersucht. Dabei stellte sich atPSD3 als das Enzym mit der höchsten Aktivität heraus. Alternativ zum PSD-Weg wird in Arabidopsis PE auch mittels Aminoalkohol-phosphotransferase synthetisiert. Der Verlust der gesamten PSD-Aktivität, wie es in der erzeugten psd Dreifachmutante der Fall ist, wirkt sich ausschließlich auf die Lipidzusammensetzung in der Mitochondrienmembran aus. Demzufolge wird extramitochondriales PE hauptsächlich über die Aminoalkoholphosphotransferase synthetisiert. Die veränderte Lipidzusammensetzung der Mitochondrienmembran hatte jedoch keinen Einfluss auf die Anzahl, Größe und Ultrastruktur der Mitochondrien sowie auf das ADP/ATP-Verhältnis und die Respiration. Neben der Bereitstellung von Reduktionsäquivalenten beeinflusst die Funktionalität der Mitochondrien auch die Bildung von Blüten- und Staubblättern. Diese Blütenorgane waren in der psd Dreifachmutante stark verändert, und der Blütenphänotyp ähnelte der APETALA3-Mutante. Dieses homöotische Gen ist für die Ausbildung von Blüten- und Staubblättern verantwortlich. Für die Erzeugung der Mutanten psd2-1 und psd3-1 wurde ein T-DNA Vektor verwendet, der den Promotor des APETALA3 Gens enthielt, welcher in den Mutanten psd2-1, psd3-1 sowie psd2-1psd3-1 und der psd1psd2-1psd3-1 Dreifachmutante eine vergleichbare Co-Suppression des APETALA3 Gens hervorruft. Der Blütenphänotyp trat jedoch nur in der psd Dreifachmutante auf, da nur in ihr die Kombination von geringen Funktionstörungen der Mitochondrien, hervorgerufen durch veränderte Lipidzusammensetzung, mit der Co-Suppression von APETALA3 auftritt. / Decarboxylation of phosphatidylserine (PS) to form phosphatidylethanolamine (PE) catalyzed by phosphatidylserine decarboxylase (PSD) is an essential reaction for mitochondria in yeast and mice. This dissertation describes the role of this biosynthesis pathway in plants for the first time. Three PSD genes were identified in Arabidopsis, atPSD1, atPSD2, atPSD3. The gene products localize to mitochondria (atPSD1), tonoplast (atPSD2) and endoplasmatic retikulum (atPSD3). Contribution to PE-synthesis of each PSD was analyzed using T-DNA insertion mutants. Thereby, atPSD3 was found to be the most active isoform. Alternatively, PE is also synthesized by the action of aminoalcohol phosphotransferase. Complete loss of PSD activity, like in the psd triple mutant, resulted in changes in lipid composition of mitochondria membranes exclusively. In conclusion the bulk of PE is synthesized by aminoalcohol phosphotransferase. Changed lipid composition of mitochondria did not result in changes of mitochondria number, structure, ADP/ATP ratio and respiration. Mitochondria functionality was formerly shown to effect formation of petals and stamens. These flower organs were drastically morphologically changed in psd triple mutants and showed strong similarities to APETALA3 mutants. APETALA3 is a homeotic gene responsible for specifying petals and stamens. Mutants psd2-1 and psd3-1 used for crossing psd double and triple mutants contained a T-DNA vector which include the promoter for APETALA3. This promoter caused co-suppression of the endogenous APETALA3 gene in all mutants isolated from the Arabidopsis Knockout Facility, whereas changed flower morphology occurred only in the triple mutant concluding a combined effect of co-suppression and a reduced functionality of mitochondria, caused by changed lipid composition.

Toxoplasma gondii ist ein weit verbreiteter, obligat-intrazellulärer, einzelliger Parasit, der die lebensbedrohliche Krankheit Toxoplasmose in Menschen und Tieren hervorrufen kann. Der schnell replizierende Parasit benötigt erhebliche Mengen an Phospholipiden zur Biogenese intra- und extrazellulärer Membranen. Phosphatidylethanolamin (PtdEtn) ist ein wichtiges und ubiquitäres Phospholipid in Pro- und Eukaryoten und das zweithäufigste Lipid in T. gondii. Dieses kann de novo über den CDP-Ethanolamin Stoffwechselweg oder durch Decarboxylierung von Phosphatidylserin synthetisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Expression von zwei distinkten Phosphatidylserin Decarboxylasen (PSDs) in T. gondii nachgewiesen werden: TgPSD1pv ist partiell löslich und wird über Dichte Granula in die Parasitophore Vakuole sekretiert, während sich TgPSD1mt im Mitochondrium von Tachyzoiten befindet. TgPSD1mt ist in der Lage einen Ethanolamin-auxotrophen S. cerevisiae Stamm zu komplementieren. Ein Knock-down von TgPSD1mt in T. gondii verursacht eine verlangsamte Parasitenreplikation, welche zu einem verminderten in vitro Wachstum führt. Der PtdEtn-Gehalt in der Mutante bleibt unverändert, was auf eine stringente Homöostase des zellulären PtdEtn Reservoirs durch alternative Lipidbiogenesewege hindeutet. Tatsächlich verfügt T. gondii zusätzlich über einen aktiven CDP-Ethanolamin Stoffwechselweg im Endoplasmatischen Retikulum, welcher den Verlust von TgPSD1mt partiell kompensieren kann. Das zweite, sekretierte TgPSD1pv-Enzym hingegen scheint für das Parasitenwachstum in vitro entbehrlich zu sein. Infektionsversuche mit radioaktiv markierten Wirtszellen zeigten zudem eine Aufnahme von PtdEtn oder PtdEtn-Derivaten in intrazellulär replizierenden Tachyzoiten. Diese Ergebnisse demonstrieren eine außergewöhnliche Kompartmentalisierung und Plastizität der PtdEtn-Synthese in T. gondii. / Toxoplasma gondii is a remarkably successful and widespread obligate intracellular protozoan parasite, which can cause the potentially life threatening disease Toxoplasmosis in humans and animals. The fast proliferating parasite requires a significant amount of phospholipids for biogenesis of organelles and enclosing vacuolar membranes. Phosphatidylethanolamine (PtdEtn) is one of the most ubiquitous phospholipids and the second most abundant lipid in T. gondii. It can be produced de novo by the CDP-ethanolamine pathway or by decarboxylation of phosphatidylserine. This work revealed the expression of two distinct PtdSer decarboxylase (PSD) enzymes in T. gondii: One of which is Coccidia-specific and partially soluble and secreted into the parasitophorous vacuole via dense granules (TgPSD1pv), and a second enzyme that localizes in the mitochondrion (TgPSD1mt) of tachyzoites. The mitochondrial PSD can complement a S. cerevisiae mutant auxotrophic for ethanolamine. A conditional knockdown of the TgPSD1mt gene impairs the parasite growth in vitro. Surprisingly, the mutant displayed an unaltered total PtdEtn content, which suggests a stringent homeostasis of the cellular PtdEtn pool by alternative routes of lipid biogenesis. Consistently, the parasite encodes an active CDP-ethanolamine pathway in the endoplasmic reticulum. Metabolic labeling of the TgPSD1mt mutant displayed an increased utilization of ethanolamine into PtdEtn, indicating an upregulation of the de novo CDP-ethanolamine pathway. Likewise, exogenous ethanolamine partially restored the growth phenotype of the mutant. In contrast, the TgPSD1pv enzyme is dispensable for the parasite growth. Host cell pre-labeling with radioactive ethanolamine indicated a potential uptake of host-derived PtdEtn or PtdEtn-derivates by intracellular parasites. Taken together, these results demonstrate an exceptional compartmentalization and plasticity of the PtdEtn synthesis in T. gondii.