Signalling via reversible phosphorylation in organelles

Peroksisomer, organeller (cirka 0,1 til 1,0 µm i diameter), som finnes i dyr- og planteceller, er involvert i fettsyre beta-oksidasjon, biosyntese av membranfosfolipider, metabolisme av reaktive oksygenforbindelser, fotorespirasjon, og stress resistens. I planter, gjær og sopp har peroksisomer en essensiell rolle i utviklingsprosesser og tilpasning til ulike miljøforhold. I mennesket er viktigheten av peroksisomer illustrert med det faktum at flere arvelige sykdommer er relatert til forstyrrelser i biogenesen av peroksisomer, for eksempel Zellwegers syndrom og neonatal adrenoleukodystrofi. Vi utforsket først en rolle for den første kjente peroksisomale fosfatasen i enhver organisme (proteinfosfatase 2A) i fettsyre ß-oksidasjon, og identifiserte videre mange nye peroksisomale proteinfosfataser i modellanlegget. Det viktige at det unge talentet støttet forskning førte til å utvide kunnskapen om det peroksisomale fosfoproteomet og ga et kunnskapsrammeverk for sentrale aktører som kontrollerer proteinfosforyleringshendelser i plantens peroksisom (dvs. proteinkinaser og fosfataser), og katalogiserte et enormt utvidet sett med phosphosubstrates. I det siste har vi også funnet ytterligere funksjonelle peroksisomale domener som tilhører oppløselige og reseptorproteinkinaser i en modellplante. Som et langsiktig mål startet vi å bygge et peroksisomalt fosforeguleringsnettverk gjennom å undersøke de identifiserte fosfatasene og kinasefunksjonene og finne deres underlag med protein: protein-interaksjonsmetoder. I samme sammenheng banet vi vei for å studere viktige peroksisomale prosesser gjennom proteinfosforylering som peroksisombiogenese og fettsyre beta-oksidasjon. Samlet sett vil den utviklede kunnskapen være medvirkende til underliggende den ennå ukarakteriserte PTM ved fosforylering i peroksisomer og kan brukes til industrielle og bioteknologiske anvendelser.

Despite increased knowledge of the subcellular organelle "peroxisome" biogenesis and functions, control of these events by post-translational modifications is poorly studied. This project research led to expanding the knowledge on the peroxisomal phosphoproteome and supplied a knowledge framework of key players that control protein phosphorylation events in the plant peroxisome (i.e., the protein kinases and phosphatases), and catalogued a vastly expanded set of (phospho)substrates. The constructed knowledge paved the way for building a peroxisomal phospho-regulation network through investigating the identified phosphatases and kinases functions and find their substrates by protein:protein interaction methods. Overall, the developed knowledge will be instrumental in underlying the yet uncharacterized post-translational modification by phosphorylation in peroxisomes, and can be used for industrial and biotechnological applications.

Peroxisomes are important eukaryotic organelles that are essential for several processes such as anabolic and catabolic lipid metabolism, free radical detoxification, development and stress-related functions. Peroxisome disorders have a strong impact on plant development, and are sometimes fatal in mammals. Although, research on peroxisome biogenesis and functions has been intensified, their control by reversible phosphorylation is barely studied. Interestingly, we recently identified the first-known peroxisomal protein phosphatase (PP2A-B'theta heterotrimeric complex), and showed its positive impact on fatty acid beta-oxidation in the model plant Arabidopsis thaliana. We also consolidated evidence that the mitochondrial regulatory subunit of PP2A (B'zeta) has a role in energy metabolism and salt stress. In this project we seek to reveal the underlying role of PP2A heterotrimeric complexes in energy metabolism that includes putative synergetic functions between peroxisomes and mitochondria. In the same context, we will focus on exploring, the yet uncharacterized, peroxisome phosphoregulation. To embark on investigation of plant peroxisomal phosphoregulation, we searched the Arabidopsis genome for phosphatase-related proteins that harbors putative peroxisomal signals, and we experimentally validated additional four peroxisomal protein phosphatases (two PP2C, one MAPK phosphatase, and one purple acid phosphatase). In this project we will investigate the functions of the new phosphatases and their impact on peroxisomes, and continue employing phosphoproteomics to identify/validate potential substrates of PP2A. Altogether this project will supply a foundation to understand peroxisomal control mechanism by reversible phosphorylation.