Transport Proteins Regulate the Flux of Metabolites and Cofactors Across the Membrane of Plant Peroxisomes

In land plants, peroxisomes play key roles in various metabolic pathways, including the most prominent examples, that is lipid mobilization and photorespiration. Given the large number of substrates that are exchanged across the peroxisomal membrane, a wide spectrum of metabolite and cofactor transporters is required and needs to be efficiently coordinated. These peroxisomal transport proteins are a prerequisite for metabolic reactions inside plant peroxisomes. The entire peroxisomal “permeome” is closely linked to the adaption of photosynthetic organisms during land plant evolution to fulfill and optimize their new metabolic demands in cells, tissues, and organs. This review assesses for the first time the distribution of these peroxisomal transporters within the algal and plant species underlining their evolutionary relevance. Despite the importance of peroxisomal transporters, the majority of these proteins, however, are still unknown at the molecular level in plants as well as in other eukaryotic organisms. Four transport proteins have been recently identified and functionally characterized in Arabidopsis so far: one transporter for the import of fatty acids and three carrier proteins for the uptake of the cofactors ATP and NAD into plant peroxisomes. The transport of the three substrates across the peroxisomal membrane is essential for the degradation of fatty acids and fatty acids-related compounds via β-oxidation. This metabolic pathway plays multiple functions for growth and development in plants that have been crucial in land plant evolution. In this review, we describe the current state of their physiological roles in Arabidopsis and discuss novel features in their putative transport mechanisms

Plant Peroxisomes: Biogenesis and Function

Peroxisomes are eukaryotic organelles that are highly dynamic both in morphology and metabolism. Plant peroxisomes are involved in numerous processes, including primary and secondary metabolism, development, and responses to abiotic and biotic stresses. Considerable progress has been made in the identification of factors involved in peroxisomal biogenesis, revealing mechanisms that are both shared with and diverged from non-plant systems. Furthermore, recent advances have begun to reveal an unexpectedly large plant peroxisomal proteome and have increased our understanding of metabolic pathways in peroxisomes. Coordination of the biosynthesis, import, biochemical activity, and degradation of peroxisomal proteins allows for highly dynamic responses of peroxisomal metabolism to meet the needs of a plant. Knowledge gained from plant peroxisomal research will be instrumental to fully understanding the organelleﾒs dynamic behavior and defining peroxisomal metabolic networks, thus allowing the development of molecular strategies for rational engineering of plant metabolism, biomass production, stress tolerance, and pathogen defense

Peroxisomes:New insights into protein sorting, dynamics, quality control, signalling and roles in health and disease

The 6th Open European peroxisome meeting (OEPM) was held on the 26th and 27th of October (2018) in Groningen, the Netherlands. OEPM is a biannual meeting organized by a European peroxisome research group. Previous meetings were held in Leuven, BE (2006), Lunteren, NL (2010), Dijon, FR (2012), Neuss, GER (2014) and Vienna, AU (2016). Over 120 participants were registered from 14 European countries, as well as Israel, Canada, the USA and South Korea. A large number of European research groups participated, including established and younger groups, showing that peroxisome research is blooming in Europe. This will further expand with the EU Marie Curie Innovative training network PERICO (PERoxisome Interactions and COmmunication; http://www.itn-PERICO.eu; coordinated by Ida van der Klei), which recently started and aims to train the next generation of peroxisome researchers

The mitochondrial NAD+ transporter (NDT1) plays important roles in cellular NAD+ homeostasis in \u3ci\u3eArabidopsis thaliana\u3c/i\u3e

Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD+) is an essential coenzyme required for all living organisms. In eukaryotic cells, the final step of NAD+ biosynthesis is exclusively cytosolic. Hence, NAD+ must be imported into organelles to support their metabolic functions. Three NAD+ transporters belonging to the mitochondrial carrier family (MCF) have been biochemically characterized in plants. AtNDT1 (At2g47490), focus of the current study, AtNDT2 (At1g25380), targeted to the inner mitochondrial membrane, and AtPXN (At2g39970), located in the peroxisomal membrane. Although AtNDT1 was presumed to reside in the chloroplast membrane, subcellular localization experiments with green fluorescent protein (GFP) fusions revealed that AtNDT1 locates exclusively in the mitochondrial membrane in stably transformed Arabidopsis plants. To understand the biological function of AtNDT1 in Arabidopsis, three transgenic lines containing an antisense construct of AtNDT1 under the control of the 35S promoter alongside a T-DNA insertional line were evaluated. Plants with reduced AtNDT1 expression displayed lower pollen viability, silique length, and higher rate of seed abortion. Furthermore, these plants also exhibited an increased leaf number and leaf area concomitant with higher photosynthetic rates and higher levels of sucrose and starch. Therefore, lower expression of AtNDT1 was associated with enhanced vegetative growth but severe impairment of the reproductive stage. These results are discussed in the context of the mitochondrial localization of AtNDT1 and its important role in the cellular NAD+ homeostasis for both metabolic and developmental processes in plants

EST-analysis of the thermo-acidophilic red microalga Galdieriasulphuraria reveals potential for lipid A biosynthesis and unveils the pathway of carbon export from rhodoplasts

Weber APM, Oesterhelt C, Gross W, et al. EST-analysis of the thermo-acidophilic red microalga Galdieriasulphuraria reveals potential for lipid A biosynthesis and unveils the pathway of carbon export from rhodoplasts. Plant Molecular Biology. 2004;55(1):17-32.When we think of extremophiles, organisms adapted to extreme environments, prokaryotes come to mind first. However, the unicellular red micro-alga Galdieria sulphuraria (Cyanidiales) is a eukaryote that can represent up to 90% of the biomass in extreme habitats such as hot sulfur springs with pH values of 0-4 and temperatures of up to 56 degreesC. This red alga thrives autotrophically as well as heterotrophically on more than 50 different carbon sources, including a number of rare sugars and sugar alcohols. This biochemical versatility suggests a large repertoire of metabolic enzymes, rivaled by few organisms and a potentially rich source of thermo-stable enzymes for biotechnology. The temperatures under which this organism carries out photosynthesis are at the high end of the range for this process, making G. sulphuraria a valuable model for physical studies on the photosynthetic apparatus. In addition, the gene sequences of this living fossil reveal much about the evolution of modern eukaryotes. Finally, the alga tolerates high concentrations of toxic metal ions such as cadmium, mercury, aluminum, and nickel, suggesting potential application in bioremediation. To begin to explore the unique biology of G. sulphuraria, 5270 expressed sequence tags from two different cDNA libraries have been sequenced and annotated. Particular emphasis has been placed on the reconstruction of metabolic pathways present in this organism. For example, we provide evidence for (i) a complete pathway for lipid A biosynthesis; (ii) export of triose-phosphates from rhodoplasts; (iii) and absence of eukaryotic hexokinases. Sequence data and additional information are available at http://genomics.msu.edu/galdieria

Peroxisome membrane proteins: Multiple trafficking routes and multiple functions?

PMPs (peroxisome membrane proteins) play essential roles in organelle biogenesis and in co-ordinating peroxisomal metabolism with pathways in other subcellular compartments through transport of metabolites and the operation of redox shuttles. Although the import of soluble proteins into the peroxisome matrix has been well studied, much less is known about the trafficking of PMPs. Pex3 and Pex19 (and Pex16 in mammals) were identified over a decade ago as critical components of PMP import; however, it has proved surprisingly difficult to produce a unified model for their function in PMP import and peroxisome biogenesis. It has become apparent that each of these peroxins has multiple functions and in the present review we focus on both the classical and the more recently identified roles of Pex19 and Pex3 as informed by structural, biochemical and live cell imaging studies. We consider the different models proposed for peroxisome biogenesis and the role of PMP import within them, and propose that the differences may be more perceived than real and may reflect the highly dynamic nature of peroxisomes

Evolution nicht-mitochondrialer Nukleotid-Transporter

Die Evolution plastidärer und eubakterieller Nukleotid-Transporter, die man aufgrund biochemischer und molekularer Eigenschaften zur Familie der nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transporter zusammenfasst, ist noch völlig ungeklärt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die evolutive Sequenzverwandtschaft dieser nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transportern aus Pflanzen und Eubakterien eingehender untersucht. So konnten folgende wichtige Fragestellungen beantwortet werden: 1. Ist der nicht-mitochondriale Nukleotid-Transporter ausschließlich auf intrazelluläre Bakterien und Plastiden beschränkt? Unter Anwendung molekularbiologischer Techniken sowie der Computer-gestützten Analyse laufender Genom- und EST-Projekte wurde im gesamten Organismenreich (Eu- und Prokaryoten) nach weiteren homologen nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transportern gesucht. Aufgrund der gewonnenen Daten konnte postuliert werden, dass die nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transporter innerhalb der Eukaryoten ausschließlich auf Plastiden-haltige Organismen beschränkt und damit im gesamten Pflanzenreich verbreitet sind. Innerhalb der Prokaryoten wurden Mitglieder dieser Transporter-Familie bislang nur in einigen wenigen endosymbiontisch bzw. endoparasitisch lebenden Eubakterien identifiziert, die der Gattung Rickettsiales und Chlamydiales angehören. 2. Wie haben sich diese Transporter innerhalb der beiden Organismenreiche entwickelt? Aufgrund der molekularen Identifizierung eines nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transporters aus Cyanophora paradoxa, konnte ein monophyletischer Ursprung aller homologen plastidären Transportproteine postuliert werden, da somit die älteste bzw. ursprünglichste Pflanze ein entsprechendes Transportsystem besitzt. Darüber hinaus wurde angenommen, dass im Verlauf der Pflanzenevolution zwischen niederen und höheren Pflanzen infolge der Ausbildung höherer Organisationsformen (Vielzeller) und der Differenzierung in Gewebe bzw. Organen Genduplikationen stattgefunden haben. Das eingeschränkte Vorkommen der nicht-mitochondrialen Nukleotid- Transporter innerhalb der Eubakterien wurde dadurch erklärt, dass die Chlamydien und Rickettsien als obligat intrazellulär lebende Eubakterien von der Außenwelt abgeschirmt sind und daher keine Möglichkeit zum Genaustausch mit weiteren Bakterienspezies besitzen. Dass Vorkommen eines solchen Transportsystems in Vertreter wurde in dieser Arbeit als mögliche Folge eines horizontaler Gentransfers diskutiert. 3. Woher stammt das Gen (Ursprung des Gens) und über welche möglichen evolutiven Wege könnte es auf die jeweiligen Organismen übertragen worden sein? Zahlreiche Indizien sprechen für eine de novo -Entstehung der pflanzlichen Nukleotid-Transporter im Zuge der primären Endosymbiose zwischen einem heterotrophen Eukaryoten und einem Cyanobakterium (Entstehung der ersten Pflanzenzelle). Bei dieser Neuentstehung wurde ein möglicher evolutiver Zusammenhang zwischen den mitochondrialen und nicht-mitochondrialen Nukleotid- Transportern indiziert, der für eine homologe Entwicklung der Sequenzmotive GLGANVALIF/V, MAYIPLD und GKSGGA in beiden Transporter-Familie sprechen könnte. Für den chlamydialen Nukleotid-Transporter wurde in der vorliegender Arbeit postuliert, dass Chlamydien dieses Gen sowie einige andere pflanzliche Gene mittels horizontalen Gentransfer aus einer frühen, einzelligen Pflanzenzelle erworben haben. Ferner wurde diskutiert, welche Wege für einen horizontaler Gentransfer zwischen Rickettsien und Chlamydien bzw. Rickettsien und Pflanzen möglich sein könnten, um das Vorkommen rickettsieller Nukleotid-Transporter zu erklären. 4. Inwiefern haben sich die Transporteigenschaften nicht-mitochondrialer Nukleotid- Transporter im Laufe ihrer divergenten Entwicklung verändert? Der nicht-mitochondriale Nukleotid-Transporters aus Holospora obtusa (NPTHo), einem obligaten Endosymbiont des Pantoffeltierchens, zeichnet sich im Vergleich zu den bisher charakterisierten Nukleotid-Transporter durch einzigartige Transporteigenschaften aus, die dem intrazellulären Eubakterium einen erheblichen Selektionsvorteil verleihen. Aus den kinetischen Daten des NPTHo- Protein wurde ein neuer Phosphat-gekoppelten Transportmechanismus postuliert, der auf die nichtmitochondrialen Nukleotid-Transporter übertragen ist, wodurch sich die generellen Probleme des bislang postulierten einfachen ATP/ADP-Antiports lösen lassen

Evolution nicht-mitochondrialer Nukleotid-Transporter

Die Evolution plastidärer und eubakterieller Nukleotid-Transporter, die man aufgrund biochemischer und molekularer Eigenschaften zur Familie der nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transporter zusammenfasst, ist noch völlig ungeklärt. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde die evolutive Sequenzverwandtschaft dieser nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transportern aus Pflanzen und Eubakterien eingehender untersucht. So konnten folgende wichtige Fragestellungen beantwortet werden: 1. Ist der nicht-mitochondriale Nukleotid-Transporter ausschließlich auf intrazelluläre Bakterien und Plastiden beschränkt? Unter Anwendung molekularbiologischer Techniken sowie der Computer-gestützten Analyse laufender Genom- und EST-Projekte wurde im gesamten Organismenreich (Eu- und Prokaryoten) nach weiteren homologen nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transportern gesucht. Aufgrund der gewonnenen Daten konnte postuliert werden, dass die nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transporter innerhalb der Eukaryoten ausschließlich auf Plastiden-haltige Organismen beschränkt und damit im gesamten Pflanzenreich verbreitet sind. Innerhalb der Prokaryoten wurden Mitglieder dieser Transporter-Familie bislang nur in einigen wenigen endosymbiontisch bzw. endoparasitisch lebenden Eubakterien identifiziert, die der Gattung Rickettsiales und Chlamydiales angehören. 2. Wie haben sich diese Transporter innerhalb der beiden Organismenreiche entwickelt? Aufgrund der molekularen Identifizierung eines nicht-mitochondrialen Nukleotid-Transporters aus Cyanophora paradoxa, konnte ein monophyletischer Ursprung aller homologen plastidären Transportproteine postuliert werden, da somit die älteste bzw. ursprünglichste Pflanze ein entsprechendes Transportsystem besitzt. Darüber hinaus wurde angenommen, dass im Verlauf der Pflanzenevolution zwischen niederen und höheren Pflanzen infolge der Ausbildung höherer Organisationsformen (Vielzeller) und der Differenzierung in Gewebe bzw. Organen Genduplikationen stattgefunden haben. Das eingeschränkte Vorkommen der nicht-mitochondrialen Nukleotid- Transporter innerhalb der Eubakterien wurde dadurch erklärt, dass die Chlamydien und Rickettsien als obligat intrazellulär lebende Eubakterien von der Außenwelt abgeschirmt sind und daher keine Möglichkeit zum Genaustausch mit weiteren Bakterienspezies besitzen. Dass Vorkommen eines solchen Transportsystems in Vertreter wurde in dieser Arbeit als mögliche Folge eines horizontaler Gentransfers diskutiert. 3. Woher stammt das Gen (Ursprung des Gens) und über welche möglichen evolutiven Wege könnte es auf die jeweiligen Organismen übertragen worden sein? Zahlreiche Indizien sprechen für eine de novo -Entstehung der pflanzlichen Nukleotid-Transporter im Zuge der primären Endosymbiose zwischen einem heterotrophen Eukaryoten und einem Cyanobakterium (Entstehung der ersten Pflanzenzelle). Bei dieser Neuentstehung wurde ein möglicher evolutiver Zusammenhang zwischen den mitochondrialen und nicht-mitochondrialen Nukleotid- Transportern indiziert, der für eine homologe Entwicklung der Sequenzmotive GLGANVALIF/V, MAYIPLD und GKSGGA in beiden Transporter-Familie sprechen könnte. Für den chlamydialen Nukleotid-Transporter wurde in der vorliegender Arbeit postuliert, dass Chlamydien dieses Gen sowie einige andere pflanzliche Gene mittels horizontalen Gentransfer aus einer frühen, einzelligen Pflanzenzelle erworben haben. Ferner wurde diskutiert, welche Wege für einen horizontaler Gentransfer zwischen Rickettsien und Chlamydien bzw. Rickettsien und Pflanzen möglich sein könnten, um das Vorkommen rickettsieller Nukleotid-Transporter zu erklären. 4. Inwiefern haben sich die Transporteigenschaften nicht-mitochondrialer Nukleotid- Transporter im Laufe ihrer divergenten Entwicklung verändert? Der nicht-mitochondriale Nukleotid-Transporters aus Holospora obtusa (NPTHo), einem obligaten Endosymbiont des Pantoffeltierchens, zeichnet sich im Vergleich zu den bisher charakterisierten Nukleotid-Transporter durch einzigartige Transporteigenschaften aus, die dem intrazellulären Eubakterium einen erheblichen Selektionsvorteil verleihen. Aus den kinetischen Daten des NPTHo- Protein wurde ein neuer Phosphat-gekoppelten Transportmechanismus postuliert, der auf die nichtmitochondrialen Nukleotid-Transporter übertragen ist, wodurch sich die generellen Probleme des bislang postulierten einfachen ATP/ADP-Antiports lösen lassen

Plant peroxisomal solute transporter proteins

Plant peroxisomes are unique subcellular organelles which play an indispensable role in several key metabolic pathways, including fatty acid beta-oxidation, photorespiration, and degradation of reactive oxygen species. The compartmentalization of metabolic pathways into peroxisomes is a strategy for organizing the metabolic network and improving pathway efficiency. An important prerequisite, however, is the exchange of metabolites between peroxisomes and other cell compartments. Since the first studies in the 1970s scientists contributed to understanding how solutes enter or leave this organelle. This review gives an overview about our current knowledge of the solute permeability of peroxisomal membranes described in plants, yeast, mammals and other eukaryotes. In general, peroxisomes contain in their bilayer membrane specific transporters for hydrophobic fatty acids (ABC transporter) and large cofactor molecules (carrier for ATP, NAD and CoA). Smaller solutes with molecular masses below 300-400 Da, like the organic acids malate, oxaloacetate, and 2-oxoglutarate, are shuttled via non-selective channels across the peroxisomal membrane. In comparison to yeast, human, mammals and other eukaryotes, the function of these known peroxisomal transporters and channels in plants are discussed in this review

Transport Proteins Enabling Plant Photorespiratory Metabolism

Photorespiration (PR) is a metabolic repair pathway that acts in oxygenic photosynthetic organisms to degrade a toxic product of oxygen fixation generated by the enzyme ribulose 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase. Within the metabolic pathway, energy is consumed and carbon dioxide released. Consequently, PR is seen as a wasteful process making it a promising target for engineering to enhance plant productivity. Transport and channel proteins connect the organelles accomplishing the PR pathway-chloroplast, peroxisome, and mitochondrion-and thus enable efficient flux of PR metabolites. Although the pathway and the enzymes catalyzing the biochemical reactions have been the focus of research for the last several decades, the knowledge about transport proteins involved in PR is still limited. This review presents a timely state of knowledge with regard to metabolite channeling in PR and the participating proteins. The significance of transporters for implementation of synthetic bypasses to PR is highlighted. As an excursion, the physiological contribution of transport proteins that are involved in C-4 metabolism is discussed