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Die vakuoläre Protonen-ATPase, kurz V-ATPase, ist ein multimerer Enzymkomplex, der in fast jeder eukaryotischen Zelle zu finden ist und den aktiven elektrogenen Transport von Protonen über Membranen katalysiert. Die Aktivität der V-ATPase ist essentiell für eine Vielzahl physiologischer Prozesse. Ein grundlegender Mechanismus zur Regulation der V-ATPase-Aktivität ist die reversible Dissoziation des Holoenzyms in den integralen VO-Komplex, der als Protonenkanal dient, und den cytosolischen V1-Komplex, der ATP hydrolysiert und somit den Protonentransport energetisiert. Die Untereinheit C, die im dissoziierten Zustand der V-ATPase als einzige Untereinheit isoliert im Cytoplasma vorliegt, scheint bei der Bildung des aktiven Holoenzyms eine Schlüsselrolle zu übernehmen. In den Speicheldrüsen der Schmeißfliege Calliphora vicina ist die V-ATPase an der Speichelsekretion beteiligt. In den sekretorischen Zellen wird die Bildung des V-ATPase-Holoenzyms in der apikalen Plasmamembran durch das Neurohormon Serotonin (5-HT) stimuliert. Der Effekt von 5-HT auf die V-ATPase wird intrazellulär durch die Proteinkinase A (PKA) vermittelt und hält nur für die Dauer der Stimulierung an. In der vorliegenden Arbeit wurde mittels Phosphoproteinfärbungen und 2D-Elektrophorese nachgewiesen, dass infolge einer Stimulierung der Drüsenzellen mit 5-HT die Untereinheit C der V-ATPase durch die PKA reversibel phosphoryliert wird. Die Phosphorylierung geht einher mit einer Umverteilung der Untereinheit C aus dem Cytoplasma zur apikalen Plasmamembran und der Bildung des aktiven Holoenzyms. Immuncytochemische Untersuchungen zeigten, dass die katalytische Untereinheit der PKA ebenfalls umverteilt wird und in stimulierten Zellen im Bereich der apikalen Plasmamembran konzentriert vorliegt. Um herauszufinden welche Proteinphosphatase der PKA entgegenwirkt, wurden luminale pH-Messungen durchgeführt und der Effekt von spezifischen Proteinphosphatase-Inhibitoren und veresterten Komplexbildnern zweiwertiger Kationen auf die V-ATPase-Aktivität untersucht. Diese Messungen führten zu der Schlussfolgerung, dass eine Proteinphosphatase des Typs 2C an der Inaktivierung der V-ATPase beteiligt ist. Mit weiteren Phosphoproteinfärbungen konnte gezeigt werden, dass die Dephosphorylierung der Untereinheit C ebenfalls durch eine Proteinphosphatase 2C katalysiert wird und dies vermutlich die Dissoziation des VO- und V1-Komplexes begünstigt. Darüber hinaus konnte durch luminale pH-Messungen und ergänzende biochemische Untersuchungen eine Calcineurin-vermittelte Modulation des cAMP/PKA-Signalweges durch den parallel aktivierten IP3/Ca2+-Signalweg und damit einhergehend eine Beeinflussung der V-ATPase-Aktivität durch den [Ca2+]-Spiegel nachgewiesen werden.
The regulation of protein function by modulating the surface charge status via sequence-locally enriched phosphorylation sites (P-sites) in so called phosphorylation "hotspots" has gained increased attention in recent years. We set out to identify P-hotspots in the model plant Arabidopsis thaliana. We analyzed the spacing of experimentally detected P-sites within peptide-covered regions along Arabidopsis protein sequences as available from the PhosPhAt database. Confirming earlier reports (Schweiger and Lanial, 2010), we found that, indeed, P-sites tend to cluster and that distributions between serine and threonine P-sites to their respected closest next P-site differ significantly from those for tyrosine P-sites. The ability to predict P-hotspots by applying available computational P-site prediction programs that focus on identifying single P-sites was observed to be severely compromised by the inevitable interference of nearby P-sites. We devised a new approach, named HotSPotter, for the prediction of phosphorylation hotspots. HotSPotter is based primarily on local amino acid compositional preferences rather than sequence position-specific motifs and uses support vector machines as the underlying classification engine. HotSPotter correctly identified experimentally determined phosphorylation hotspots in A. thaliana with high accuracy. Applied to the Arabidopsis proteome, HotSPotter-predicted 13,677 candidate P-hotspots in 9,599 proteins corresponding to 7,847 unique genes. Hotspot containing proteins are involved predominantly in signaling processes confirming the surmised modulating role of hotspots in signaling and interaction events. Our study provides new bioinformatics means to identify phosphorylation hotspots and lays the basis for further investigating novel candidate P-hotspots. All phosphorylation hotspot annotations and predictions have been made available as part of the PhosPhAt database at http://phosphat.mpimp-golm.mpg.de.