… (Zhang et al., 2009), verursachte große Probleme bei der Charakterisierung der Flv4- und Flv2-Proteine. Zunächst wurde spekuliert, dass eine solche Membranassoziation über das Protein Sll0218 erfolgt, das ein integrales Membranprotein mit vier vorhergesagten Transmembranhelices ist. Es stellte sich jedoch heraus, dass dies nicht der Fall war, da Flv4 auch in Abwesenheit des Sll0218-Proteins weitgehend in der Membranfraktion verblieb (die Mutanten D fl v2 , D sll0218-19 und D sll0218-19/ fl ag – fl v4) (Daten nicht gezeigt). Außerdem ist das Sll0218-Protein unabhängig vom Flv2/Flv4-Heterodimer mit einem großen Membrankomplex verbunden (Abbildung 4). Schließlich wurde das Sll0218-Protein durch Modifizierung der Zweiphasen-Verteilungsmethode zur Membransubfraktionierung an der Thylakoidmembran lokalisiert, während Flv4 und Flv2 in diesem System eher mit der Plasmamembran assoziiert sind (Abbildung 2D). Die letztgenannte Assoziation scheint stark kationenabhängig zu sein (Abbildungen 2B und 2C). Ein ähnliches Verhalten wurde kürzlich für ein anderes Synechocystis-Protein berichtet, obwohl der Mechanismus für die Membranassoziation unklar ist (Carmel et al., 2011). Basierend auf dem Flv2/Flv4-Heterodimermodell und dem Sequenz-Alignment wurden einige mutmaßliche Metallbindungsstellen mit His-, Asp- und Glu-Resten auf der Proteinoberfläche erkannt. Oberflächengebundene Metalle wurden auch in homologen Strukturen gefunden. Die fl avodoxin-ähnliche Domäne aus Synechococcus sp (PDB ID: 3HLY) hat beispielsweise eine Ca 2+ – und M. thermoacetica FprA (PDB ID: 1YCF, 1YCG und 1YCH) hat mehrere Zn 2+ – Bindungen an der Oberfläche (Silaghi-Dumitrescu et al., 2005). Die Metallionen auf den Strukturen stammen aus der Kristallisationslösung, aber einige der metallbindenden Reste sind konserviert oder durch ähnliche Reste in unserem Modell ersetzt (siehe ergänzende Tabelle 2 online). Zusammengenommen könnten diese Reste für die kationenabhängige Assoziation von Flv2 und Flv4 mit der Membranfraktion verantwortlich sein. Die Analyse des elektrostatischen Oberflächenpotenzials des Modells zeigt, dass das Flv4-Monomer eine stärker negativ geladene Oberfläche hat (Abbildung 8B) und mehr mutmaßliche Metallbindungsstellen auf der Oberfläche enthält als das Flv2-Monomer (siehe ergänzende Tabelle 2 online). In Anbetracht der Tatsache, dass die im Isolationspuffer verwendete Kationenkonzentration viel höher ist als die tatsächlichen physiologischen Bedingungen (Abbildungen 2B bis 2D), könnte die Bindung von Flv2/Flv4 an die Membran in vivo vorübergehend und reversibel sein. Die Spezifizierung von Flv2/Flv4 an die Plasmamembran beim Zellbruch (Abbildung 2D) könnte auch mit seiner Oberflächenladung zusammenhängen, da die innere Oberfläche der Plasmamembran negativer ist als die rechtsseitige Thylakoidmembran (Barber, 1982; Körner et al., 1985). Die Oberflächenladung der Thylakoidmembran kann jedoch während der Photosynthese drastisch verändert werden, was die Transitbindung von Flv2/Flv4 auch an die Thylakoidmembran vermitteln könnte. Das Sll0218-Protein wurde eindeutig in einem Komplex mit hoher Molekülmasse in der Thylakoidmembran lokalisiert. Das merkwürdige Verhalten des Sll0218-Proteins im konventionellen Zweiphasenverteilungssystem der Membransubfraktionen deutet jedoch darauf hin, dass das Sll0218-Protein nicht gleichmäßig in der Thylakoidmembran verteilt ist. Es ist mit einem großen Komplex assoziiert, der nur geringfügig kleiner ist als das große PSII-Dimer. Eine Verringerung des Verhältnisses von PSII-Dimer- zu PSII-Monomer-Komplexen findet nur in den Mutanten statt, denen das Sll0218-Protein fehlt (D sll0218-19 und D fl v4), nicht aber in D fl v2 (Abbildung 5, Tabelle 1). Daher vermuten wir, dass Sll0218 als Chaperon bei der Stabilisierung des PSII-Dimers fungiert, das unter den Bedingungen des CO 2 -Gehalts in der Luft aufgebaut wird. Obwohl der PSII-Komplex sowohl in monomerer als auch in dimerer Form isoliert wurde (Rögner et al., 1987; Hankamer et al., 1997; Adachi et al., 2009), ist es allgemein anerkannt, dass der PSII-Komplex in vivo sowohl in Cyanobakterien als auch in höheren Pflanzen als Dimer funktioniert (Hankamer et al., 1999; Kuhl et al., 2000), während das monomere PSII möglicherweise ein Zwischenprodukt des normalen Zusammenbaus und der Reparatur von PSII ist (Aro et al., 2005; Nixon et al., 2010). Obwohl die In-vivo-Dimerisierung von PSII in Cyanobakterien aufgrund der Verwendung von Detergenzien zur Solubilisierung und In-vitro-Analyse der Thylakoidkomplexe in Frage gestellt wurde (Takahashi et al., 2009; Watanabe et al., 2009), gibt es zwingende Beweise für die Dimerbildung durch Mutantenansätze. Tatsächlich hat sich gezeigt, dass die kleinen PSII-Untereinheiten PsbM und PsbT, die sich an der Monomer-Monomer-Schnittstelle befinden, für den ordnungsgemäßen Zusammenbau und die Reparatur von PSII entscheidend sind (Ohnishi und Takahashi, 2001; Iwai et al., 2004; Bentley et al., 2008). Da das Sll0218-Protein nur unter niedrigen CO 2 -Bedingungen (d. h. an der Luft) exprimiert wird, vermuten wir, dass sich der Zusammenbau von PSII-Dimeren je nach Vorhandensein oder Fehlen der Sll0218-Proteine unterscheidet (siehe unten). Die Optimierung der Photosynthese erfordert eine strenge Regulierung zwischen der Absorption und Umwandlung von Sonnenenergie in chemische Energie und deren Nutzung durch nachgeschaltete Stoffwechselwege. Für aquatische photoautotrophe Organismen wie Cyanobakterien ist CO 2 ein wesentliches, aber oft unzureichendes Substrat. In natürlicher Umgebung führt eine unzureichende Verfügbarkeit von CO 2 , insbesondere in Verbindung mit hoher Strahlung, zu einem hohen Erregungsdruck auf die Photosysteme (Huner, 1998) und begrenzt die Photosyntheserate. Um dies zu bewältigen, werden in Cyanobakterien bei niedrigen Ci-Bedingungen mehrere CO 2 -Konzentrationsmechanismen stark induziert, um die CO 2 -Konzentration in der Umgebung der Ribulose-1,5-bis-phosphat-Carboxylase/Oxygenase zu erhöhen und gleichzeitig einen zyklischen Elektronenfluss zu induzieren, um mehr ATP zu erzeugen (Übersicht in Kaplan und Reinhold, 1999; Giordano et al., 2005; Badger et al., 2006; Price et al., 2008). Microarray- und Proteomstudien haben ein Niedrig-CO 2 -Stimulon aufgedeckt (Wang et al., 2004; Eisenhut et al., 2007; Battchikova et al., 2010), zu dem auch das Operon sll0217-19 ( fl v4- fl v2 ) gehört, das ebenso stark reguliert wird wie die Gene des induzierbaren CO 2 -Konzentrationsmechanismus. Die fl v2- und fl v4-Gene reagieren ebenfalls stark auf Licht (Hihara et al., 2001; Zhang et al., 2009). Die fl v4- und fl v2-Inaktivierungsmutanten zeigten eine hohe Anfälligkeit für die Photoinhibition von PSII unter CO 2 -Bedingungen an der Luft (Zhang et al., 2009). Darüber hinaus zeigten unsere jüngsten Studien zur Expression des Operons eine enge Regulierung dieses Operons fl v4-fl v2 durch kleine regulatorische RNAs (M. Eisenhut, J. Georg, S. Klähn, I. Sakurai, H. Silén, P. Zhang, W.R. Hess und E.-M. Aro, unveröffentlichte Daten). Eine solch starke Induktion und Regulierung durch Antisense-RNAs des fl v4-fl v2-Operons zusammen mit dem beobachteten Schutz von PSII unter dem CO-Gehalt der Luft und hohen …