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Regulation of central carbon and nitrogen metabolism by Target of Rapamycin (TOR) kinase in Chlamydomonas reinhardtii

Regulation des zentralen Kohlen- und Stickstoff Stoffwechsels durch die Target of Rapamycin Kinase in der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii

  • The highly conserved protein complex containing the Target of Rapamycin (TOR) kinase is known to integrate intra- and extra-cellular stimuli controlling nutrient allocation and cellular growth. This thesis describes three studies aimed to understand how TOR signaling pathway influences carbon and nitrogen metabolism in Chlamydomonas reinhardtii. The first study presents a time-resolved analysis of the molecular and physiological features across the diurnal cycle. The inhibition of TOR leads to 50% reduction in growth followed by nonlinear delays in the cell cycle progression. The metabolomics analysis showed that the growth repression is mainly driven by differential carbon partitioning between anabolic and catabolic processes. Furthermore, the high accumulation of nitrogen-containing compounds indicated that TOR kinase controls the carbon to nitrogen balance of the cell, which is responsible for biomass accumulation, growth and cell cycle progression. In the second study the cause of the high accumulation of amino acids is explained.The highly conserved protein complex containing the Target of Rapamycin (TOR) kinase is known to integrate intra- and extra-cellular stimuli controlling nutrient allocation and cellular growth. This thesis describes three studies aimed to understand how TOR signaling pathway influences carbon and nitrogen metabolism in Chlamydomonas reinhardtii. The first study presents a time-resolved analysis of the molecular and physiological features across the diurnal cycle. The inhibition of TOR leads to 50% reduction in growth followed by nonlinear delays in the cell cycle progression. The metabolomics analysis showed that the growth repression is mainly driven by differential carbon partitioning between anabolic and catabolic processes. Furthermore, the high accumulation of nitrogen-containing compounds indicated that TOR kinase controls the carbon to nitrogen balance of the cell, which is responsible for biomass accumulation, growth and cell cycle progression. In the second study the cause of the high accumulation of amino acids is explained. For this purpose, the effect of TOR inhibition on Chlamydomonas was examined under different growth regimes using stable 13C- and 15N-isotope labeling. The data clearly showed that an increased nitrogen uptake is induced within minutes after the inhibition of TOR. Interestingly, this increased N-influx is accompanied by increased activities of nitrogen assimilating enzymes. Accordingly, it was concluded that TOR inhibition induces de-novo amino acid synthesis in Chlamydomonas. The recognition of this novel process opened an array of questions regarding potential links between central metabolism and TOR signaling. Therefore a detailed phosphoproteomics study was conducted to identify the potential substrates of TOR pathway regulating central metabolism. Interestingly, some of the key enzymes involved in carbon metabolism as well as amino acid synthesis exhibited significant changes in the phosphosite intensities immediately after TOR inhibition. Altogether, these studies provide a) detailed insights to metabolic response of Chlamydomonas to TOR inhibition, b) identification of a novel process causing rapid upshifts in amino acid levels upon TOR inhibition and c) finally highlight potential targets of TOR signaling regulating changes in central metabolism. Further biochemical and molecular investigations could confirm these observations and advance the understanding of growth signaling in microalgae.show moreshow less
  • Target of Rapamycin (TOR) ist das Zentralprotein eines hochkonservierten Proteinkomplexes, welcher Nährstoff- und Energie Ressourcen für zelluläre Wachstumsprozesse kontengiert. Diese Doktorarbeit beschreibt anhand dreier Studien, wie TOR zu diesem Zweck, in der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, den zentralen Stoffwechsel reguliert. Die erste Studie untersucht dazu das zeitaufgelöste Verhalten von Biomolekülen im Tagesverlauf synchronisiert wachsender Algen. Dabei konnte gezeigt werden, das der TOR Inhibitor Rapamycin das Wachstum um 50% reduziert und den Zellzyklus verzögert. Die Zellzyklus Verzögerung scheint dabei hauptsächlich durch veränderte Stoffwechselprozesse erklärt zu sein. Hierbei konnte gezeigt werden, dass TOR vor allem stickstoffhaltige Stoffwechselprodukte (z.B. Aminosäuren) kontrolliert, welche die Grundlage für Biomasseproduktion, Wachstum und den Zellzyklus bilden. Im Rahmen der zweiten Studie konnte dann der molekulare Mechanismus der Akkumulation der zellulären Aminosäuren aufgeklärt werden. Zu diesem ZweckTarget of Rapamycin (TOR) ist das Zentralprotein eines hochkonservierten Proteinkomplexes, welcher Nährstoff- und Energie Ressourcen für zelluläre Wachstumsprozesse kontengiert. Diese Doktorarbeit beschreibt anhand dreier Studien, wie TOR zu diesem Zweck, in der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, den zentralen Stoffwechsel reguliert. Die erste Studie untersucht dazu das zeitaufgelöste Verhalten von Biomolekülen im Tagesverlauf synchronisiert wachsender Algen. Dabei konnte gezeigt werden, das der TOR Inhibitor Rapamycin das Wachstum um 50% reduziert und den Zellzyklus verzögert. Die Zellzyklus Verzögerung scheint dabei hauptsächlich durch veränderte Stoffwechselprozesse erklärt zu sein. Hierbei konnte gezeigt werden, dass TOR vor allem stickstoffhaltige Stoffwechselprodukte (z.B. Aminosäuren) kontrolliert, welche die Grundlage für Biomasseproduktion, Wachstum und den Zellzyklus bilden. Im Rahmen der zweiten Studie konnte dann der molekulare Mechanismus der Akkumulation der zellulären Aminosäuren aufgeklärt werden. Zu diesem Zweck wurden Fütterungsstudien mit 13C- und 15N-Isotopen durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Fütterung konnten klar zeigen, dass die Inhibition von TOR zur verstärkten Aufnahme von Stickstoff in die Zelle und dessen Assimilierung in Aminosäuren führt. Die Aufdeckung dieses neuen, von TOR gesteuerten Prozesses eröffnete somit die Frage, wie die Signalkaskade von TOR zu den Enzymen der Aminosäuresynthese verläuft. Detaillierte phosphoproteomische Studien sollten dieser Frage nachgehen und Zielprotein der TOR Kinase zu identifizieren und regulierte Stoffwechselprozesses zu finden. Dabei stellte sich heraus, dass sowohl verschiedene Enzyme der Aminosäuresynthese als auch Enzyme des zentralen Stoffwechsels innerhalb weniger Minuten stark verändert wurden. Zusammenfassend kann man festhalten das die vorliegende Arbeit detaillierte Stoffwechselanalysen des Stoffwechsels nach einer TOR Inhibition aufdeckt. Hierbei ein neuer Mechanismus zur Regulation der Aminosäuresynthese, nach TOR Inhibition gezeigt werden konnte, welche durch systemische Regulation der Phosphorylierungsmuster zellulärer Proteine kontrolliert wird. Zusätzliche molekulare und biochemische Studien konnten weiterhin zeigen, dass wie TOR das zelluläre Wachstum der photosynthetischen Grünalge kontrolliert und somit steuert.show moreshow less

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Metadaten
Author:Umarah MubeenORCiD
Advisor:Lothar Willmitzer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2018/11/05
Release Date:2018/11/20
Tag:Chlamydomonas; Phosphoproteomik; Stoffwechsel; Target of Rapamycin kinase; Wachstumssignale
Chlamydomonas; Growth signaling; Target of Rapamycin kinase; metabolism; phosphoproteomics
Pagenumber:vii, 153
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
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Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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