Οργανιδιακή λειτουργικότητα και μοριακή διασταυροεπικοινωνία (cross-talk) στη σηματοδότηση της ανάπτυξης του Arabidopsis

Τα υποκυτταρικά οργανίδια των ευκαρυωτικών κυττάρων κατέχουν πολύ σημαντικό ρόλο στο μεταβολισμό του κυττάρου. Στα μιτοχόνδρια, τους χλωροπλάστες και τα περοξυσώματα λαμβάνουν χώρα η αναπνοή, η φωτοσύνθεση και ο καταβολισμός των λιπαρών, αντίστοιχα, διεργασίες απαραίτητες για την επιβίωση των οργανισμών. Λόγω της αυξημένης μεταγωγής ενέργειας κατά τη λειτουργία των οργανιδίων, παράγονται Ενεργές Μορφές Οξυγόνου (ΕΜΟ), ως παραπροϊόντα του αερόβιου μεταβολισμού, οι οποίες είναι τοξικές για το κύτταρο, επιδρώντας αρνητικά στα βιομόρια του κυττάρου. Για την αντιμετώπιση των δυσμενών συνεπειών της δράσης των ΕΜΟ, τα κύτταρα έχουν αναπτύξει μηχανισμούς άμυνας έναντι της δράσης τους. Ο μηχανισμός ελέγχου της ποιότητας των πρωτεϊνών (Protein Quality Control, PQC) ανήκει σε αυτούς, και μέρος αυτού είναι η πρωτεάση Lon η οποία πρωτεολύει της οξειδωμένες από τις ΕΜΟ πρωτεΐνες, εμποδίζοντας έτσι το σχηματισμό τοξικών για το κύτταρο πρωτεϊνικών συσσωματωμάτων.Η πρωτεάση Lon είναι προκαρυωτικής προέλευσης και απαντάται σε όλους τους οργανισμούς. Δυσλειτουργία της μιτοχονδριακής πρωτεάσης Lon διαταράσσει τη φυσιολογική μορφολογία και λειτουργία του οργανιδίου. Στα ζωικά μοντέλα σχετίζεται με μια πληθώρα νευροεκφυλιστικών ασθενειών και νεοπλασιών. Το φυτό A. thaliana έχει 4 γονίδια που κωδικοποιούν για ισομορφές της πρωτεάσης Lon. Μεταλλάγματα του γονιδίου Lon1 παρουσιάζουν ανωμαλίες στη μορφολογία των μιτοχονδρίων τους και μειωμένη αναπνευστική δραστηριότητα. Πρόσφατα βρέθηκε ότι η πρωτεάση Lon1 παρουσιάζει διπλή υποκυτταρική στόχευση και στους χλωροπλάστες, όμως δεν υπάρχουν ακόμη στοιχεία για το λειτουργικό της ρόλο στο οργανίδιο. Η πρωτεάση Lon4 παρουσιάζει και αυτή διπλή υποκυτταρική στόχευση στα μιτοχόνδρια και στους χλωροπλάστες, όμως δεν υπάρχουν δημοσιευμένα μεταλλάγματα ή άλλα δεδομένα όσον αφορά τη λειτουργία της. Η πρωτεάση Lon3, ελλείψει πειραματικών δεδομένων, θεωρείται ως ψευδογονίδιο, ενώ η Lon2 αποτελεί την περοξυσωμική ισομορφή.Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση του λειτουργικού ρόλου της πρωτεάσης Lon του φυτού Arabidopsis thaliana στα μιτοχόνδρια και τους χλωροπλάστες του φυτού. Έγινε κατασκευή διαγονιδιακών κατασκευών με την πρωτεάση Lon1, όπου η αγρίου τύπου πρωτεάση οδηγήθηκε μεμονωμένα στους χλωροπλάστες ή στα μιτοχόνδρια του μεταλλάγματος lon1-1. Οι βιομετρικές, φυσιολογικές και μοριακές αναλύσεις των κατασκευών αυτών ανέδειξαν για πρώτη φορά το λειτουργικό ρόλο της πρωτεάσης Lon1 στο χλωροπλάστη. Επιπλέον, χαρακτηρίστηκε και αναλύθηκε το μετάλλαγμα lon4-1, το οποίο είναι το πρώτο που καταγράφεται για την πρωτεάση Lon4. Τα μεταλλάγματα αυτά παρουσιάζουν σημαντική υστέρηση στη βλαστικότητα των σπερμάτων τους, ενώ και η αναπνευστική δραστηριότητα των σπερμάτων τους είναι μειωμένη. Ανάλυση της γονιδιακής έκφρασης όλων των μιτοχονδριακών/χλωροπλαστικών γονιδίων Lon του φυτού έδειξε ότι το Lon1 δεν παρουσιάζει κάποια ιστοειδική ή χρονική εξειδίκευση, αντίθετα με τα Lon4 και Lon3. Το Lon4 παρουσιάζει μια χρονική εξειδίκευση κατά τα στάδια της γονιμοποίησης και τα αρχικά στάδια της εμβρυογένεσης, ενώ παρουσιάζει και ιστοειδική εξειδίκευση στα ανθικά μέρη του φυτού αποκλειστικά στον ύπερο του άνθους. Το γονίδιο Lon3, για πρώτη φορά αποδεικνύεται ότι δεν αποτελεί ψευδογονίδιο, και παρουσιάζει ιστοειδική έκφραση ως προς τα αρσενικά μέρη του άνθους. Εκτενής φυλογενετική ανάλυση της πρωτεάσης Lon έδειξε ότι τα φυτά, σε αντίθεση με τα ζωικά μοντέλα που φέρουν μόνο ένα αντίγραφο, έχουν πολλαπλά αντίγραφα της μιτοχονδριακής/χλωροπλαστικής πρωτεάσης Lon στο γονιδίωμά τους. Το φαινόμενο σχετίζεται με την βιοχημική πολυπλοκότητα των φυτικών συστημάτων. Οι τρείς ισομορφές του φυτού A. thaliana αποτελούν προϊόντα διαδοχικών διπλασιασμών του γονιδιώματος που εξαιτίας εξελικτικής πίεσης, ανέπτυξαν διαφορετικούς και συμπληρωματικούς μηχανισμούς έκφρασης, στόχευσης και πρωτεόστασης. Οι διπλασιασμοί των μελών της οικογένειας Lon συνέβαλλαν στην βελτίωση της προσαρμοστικότητας και ελαστικότητας έναντι ακραίων περιβαλλοντικών συνθηκών.