In oxygenic phototrophs, the photosynthetic machinery is located in thylakoid membrane (TM), a specialized endogenous membrane system. How TM are synthesized remains however mostly unknown. The aim of this thesis was to clarify a link between the synthesis of chlorophyll (Chl)-binding proteins, the main protein component of TM, and the formation of TM system in the model cyanobacterium Synechocystis PCC 6803. During the project, the analysis of TM under various growth conditions and in Chl-deficient mutants has demonstrated that a sufficient amount of de novo produced Chl molecules is crucial for the TM biogenesis. Particularly, the synthesis of the photosystem II subunit CP47 and trimeric photosystem I appeared to be sensitive to a shortage in de novo made Chl molecules. Interestingly, a specialized ribosome-binding protein (Pam68) has been identified to facilitate the insertion of Chl molecules into CP47. The synthesis of Chl-proteins and the biogenesis of TM have been further explored in cells recovering from long-term nitrogen depletion. Using this approach, it was possible to identify a large structure in the cell cytosol, which is very likely the site of TM biogenesis, and to correlate the appearance of this structure with the restored biogenesis of Chl-binding proteins.

The thesis focuses on regulation of the chlorophyll biosynthetic pathway and its coordination with synthesis of chlorophyll-binding proteins in the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803. One of the aims was to analyze correlation between syntheses of photosystems and chlorophyll in Synechocystis cells using radioactive labeling of proteins and chlorophyll by 35S and 14C, respectively. I also investigated the role of enzymes catalyzing protochlorophyllide reduction step in the chlorophyll biosynthesis by analyzing the synthesis and accumulation of photosynthetic proteins in Synechocystis mutants lacking one of the enzymes. Further, roles of Ycf54 and Psb27 proteins in stability and assembly of oxidative cyclase and CP43, respectively, are also described.

Chlorophyll spielt eine unabdingbare Rolle für die lichtabhängige Reaktion der Photosynthese. Die adäquate Versorgung mit Chlorophyll wird dabei durch die Tetrapyrrolbiosynthese (TBS) gewährleistet. In den letzten Jahrzehnten wurde eine Vielzahl von Proteinen identifiziert, welche an der Anpassung der TBS an wechselnde (a)biotische Wachstumsbedingungen der Pflanze beteiligt sind. Allerdings konnte bislang nicht zweifelsfrei geklärt werden, wie die TBS mit der Integration von Chlorophyllen in die Photosysteme koordiniert wird. Vor einigen Jahren wurde ein Interaktionspartner der Protochlorophyllid-Oxidoreduktase (POR) in Synechocystis identifiziert, welcher als potenzieller Faktor dieser Koordination in Frage kommt. Das POR-INTERACTING TPR-Protein (Pitt) stabilisiert POR an der Thylakoidmembran und interagiert auch mit dem Vorstufenprotein des D1. Pitt gehört zur Familie der tetratricopeptide repeat (TPR) Proteine, deren Vertreter vorrangig für die Vermittlung von Protein-Protein-Interaktionen zuständig sind. Aus diesem Grund war, neben der Identifikation des potenziellen Pitt-Homologs im Modelorganismus Arabidopsis thaliana, die Analyse von anderen Vertretern dieser Proteinklasse ein vielversprechender Ansatz bei der Identifikation von weiteren Regulatoren der TBS oder Photosynthese. Von den fünf ausgewählten TPR-Proteinen aus Arabidopsis thaliana mit einer hohen Sequenzähnlichkeit zu Pitt waren vier in der Lage, physisch mit POR zu interagieren. Von diesen vier Kandidaten ist das durch das Gen At1g78915 kodierte, membranintegrale TPR-Protein (TPR1) der beste Kandidat des putativen Pitt-Homologs in Arabidopsis. Vergleichbar zu Pitt interagiert TPR1 mit POR und stabilisiert das Enzym an den plastidären Membranen. Die Stabilisierung von POR durch TPR1 spielt eine entscheidende Rolle während der Etiolierung und Ergrünung von Keimlingen. Darüber hinaus steht TPR1 im Zusammenhang mit der schnellen Inaktivierung der 5-Aminolävulinsäuresynthese. / Chlorophyll plays an indispensable role in the light reaction of the photosynthesis. The adequate supply of chlorophyll is ensured by tetrapyrrole biosynthesis (TBS). Within the last decades, multiple proteins were identified, which are involved in adjusting the TBS-pathway to changing (a)biotic plant growth conditions. Nevertheless, it is not fully understood how the TBS-pathway is coordinated parallel to the assembly of the photosystems and the integration of chlorophylls into the pigment-binding subunits of the photosystems. Several years ago, an interaction partner of the protochlorophyllide-oxidoreductase (POR) was identified in Synechocystis which was proposed to be involved in the coordination of these mechanisms. The POR-INTERACTING TPR-Protein (Pitt) binds and stabilizes POR at the thylakoid membranes and interacts with the precursor protein of D1. Therefore, Pitt could facilitate the incorporation of chlorophylls into the plastid-encoded nascent photosynthetic subunits. Pitt belongs to the tetratricopeptide repeat (TPR) protein family, whose members mediate protein-protein-interactions. Besides the identification of the potential Pitt-homolog in the model organism Arabidopsis thaliana, analysis of additional members of the TPR-protein superfamily was a promising approach for the identification of further posttranslational regulators of TBS and photosynthesis. Five Arabidopsis thaliana TPR-proteins with a high sequence similarity to Pitt were selected. Four of those proteins are able to interact physically with POR. Among them, the TPR-protein encoded by the gene At1g78915 (TPR1) was the best candidate to represent a putative Pitt homolog in Arabidopsis. Similar to Pitt, TPR1 is a plastid-localized integral membrane protein, which interacts with POR at the thylakoid membranes. The stabilizing effect of TPR1 on POR is especially needed during etioliation and greening. Additionally, TPR1 is required for a inactivation of the 5'-aminolevulinic acid synthesis.

Die Biosynthese von Chlorophyll ist komplex und umfasst mehr als ein Dutzend enzymatische Schritte. Es ist nur allzu selbstverständlich, dass eine Deregulation der Chlorophyllsynthese globale Effekte auf die Zelle hat. Um diese Konsequenzen näher zu beleuchten, wurden Arabidopsis thaliana Pflanzen mit chemisch induzierter Deaktivierung von zwei Chlorophyllbiosynthesegenen (CHLH bzw. CHL27) erzeugt sowie photoautotophe Zellsuspensionskulturen von Arabidopsis thaliana hinsichtlich kurzzeitig induzierter Signalprozesse untersucht. Die Resultate verdeutlichen, dass durch Fehlregulationen innerhalb der Chlorophyllbiosynthese erzeugte reaktive Sauerstoffspezies die Transkriptionskontrolle kernkodierter Gene beeinflussen. Die Untersuchung eines enzymatischen Schrittes der Chlorophyllbiosynthese trat in dieser Arbeit in den Hauptfokus: Die Bildung des fünften, isozyklischen Ringes im Chlorophyllmolekül, katalysiert durch das bisher unzureichend erforschte Enzym Mg-Protoporphyrin-IX-monomethylester-Cyclase (Cyclase). Anhand von transgenen Cyanobakterien und Pflanzen sollte das noch unbekannte Gen ycf54 hinsichtlich seiner physiologischen Funktion in dem Cyclase-Enzymschritt analysiert werden. Das Fehlen von Ycf54 in Synechocystis sp. PCC6803 bzw. des homologen LCAA-Proteins in Nicotiana tabacum und Arabidopsis thaliana führt zu starken Cyclase-Substrat-Akkumulationen, verringerten Chlorophyllgehalten und reduzierten Ycf59- bzw. CHL27-Proteingehalten. Ein Mangel von Ycf54/LCAA beeinträchtigt daher die Funktionalität des Cyclase-Komplexes und scheint sich zudem interessanterweise auch auf die Stabilität photosynthetischer Antennenkomplexe auszuwirken. Mittels Pulldown-Assays konnte für Arabidopsis thaliana die direkte physikalische Interaktion zwischen LCAA und CHL27 bestätigt werden. Darüber hinaus sind erste Hinweise für die Ferredoxin-NADP-Reduktase als potenziellen Interaktionspartner gezeigt. / Synthesis of chlorophyll is a complex metabolic process and encompasses more than a dozen enzymatic reactions. It is self-evident that a deregulation of chlorophyll biosynthesis evokes global cellular impacts. To elucidate these consequences Arabidopsis thaliana plants with chemically inducible deactivation of two chlorophyll biosynthesis genes (CHLH and CHL27, respectively) were generated and photoautotrophic cell suspension cultures of Arabidopsis thaliana were used for short induced signal processes. The results illustrate that reactive oxygen species provoked by a deregulated chlorophyll synthesis affect the control of transcription of nuclear genes. The investigation of one enzymatic step of chlorophyll biosynthesis was placed as main focus: The formation of the isocyclic ring of the chlorophyll molecule catalyzed by the Mg protoporphyrin IX monomethyl ester cyclase (short: cyclase), an enzyme which is not fully investigated so far. The still unknown hypothetical chloroplast open reading frame (ycf) ycf54 should be analyzed concerning it’s physiological function in the enzymatic step of the cyclase using transgenic cyanobacteria and plants. Lack of Ycf54 in Synechocystis sp. PCC6803 and the homologous LCAA protein in Nicotiana tabacum and Arabidopsis thaliana, respectively, leads to chlorophyll deficiency, a strong accumulation of the cyclase substrate and reduced protein contents of Ycf59 and CHL27, respectively. A deficit of Ycf54/LCAA impairs the functionality of the cyclase complex and also might compromise the stability of photosynthetic antenna complexes. Using pull-down assays a direct physical interaction between LCAA and CHL27 could be confirmed. Additionally, first evidences for ferredoxin NADP reductase as a potential interaction partner was given.