In dieser Arbeit wird gezeigt, dass die Glycindecarboxylase (GDC)-Defizienz in einer früher beschriebenen Mutante von Arabidopsis thaliana (Somerville and Ogren, 1982) auf die Inaktivierung der mitochondrialen de-novo-Synthese von Octanoyl-ACP zurückzuführen ist. Unmittelbar betroffen ist die Ketoacyl-ACP-Synthase (mtKAS). Die damit verbundene sehr erhebliche Beeinträchtigung der Lipoylierung des GDC-H-Proteins in Blättern bewirkt die bekannten Störungen im photorespiratorischen Stoffwechselweg. Die Lipoylierung der E2-Untereinheiten der beiden mitochondrialen Enzyme Pyruvat-Dehydrogenase (PDH) und Ketoglutarat-Dehydrogenase (KGDH) wird durch das Fehlen von mtKAS jedoch deutlich weniger beeinflusst. Ursache für diesen unerwarteten Befund ist eine in dieser Arbeit identifizierte mitochondriale Lipoate-protein Ligase (AtLPLA). Dieses Enzym wurde durch Komplementationsstudien mit einer Liponsäure-auxotrophen E. coli Mutante sowie durch die Analyse von Arabidopsis Knock-out-Mutanten und RNAi-Linien charakterisiert. Es handelt sich um ein essentielles Enzym. Die mitochondriale Octanoyl-Transferase (AtLIP2), welche de novo synthetisierte C8-Fettsäuren zur Proteinlipoylierung nutzt, zeigt transkriptionelle Co-Regulation mit photorespiratorischen Enzymen. Diese Ergebnisse belegen erstmals das Vorhandensein zweier spezialisierter Lipoylierungswege in pflanzlichen Mitochondrien. Dabei ist der LPLA-Weg unumgänglich für die Lipoylierung der Ketosäuredehydrogenase E2-Untereinheiten, während der mtKAS-abhängige Weg vorrangig dem sehr hohen Lipoylierungsbedarf des Photorespirationsweges dient. Im Gegensatz dazu erfolgt die plastidäre Proteinlipoylierung ausschließlich über Octanoyl-ACP in Verbindung mit zwei redundanten Octanoyl-Transferasen und einer essentiellen Lipoat-Synthase.
In this study, it is shown that the glycine decarboxylase (GDC) deficiency of a previously described Arabidopsis thaliana mutant (Somerville and Ogren, 1982) is caused by the inactivation of the mitochondrial de novo synthesis of octanoyl-ACP. The ketoacyl-ACP synthase (mtKAS) is directly affected. The resulting reduction of the lipoylation of the GDC’s H-protein impairs the normal functioning of the photorespiratory pathway in leaves. In comparison with GDC-H, lipoylation of mitochondrial pyruvate dehydrogenase (PDH) and ketoglutarate dehydrogenase (KGDH) E2 subunits is much less affected in this mutant. The reason for this unexpected finding is the presence of a mitochondrial lipoate-protein ligase (AtLPLA), which was identified in this study. AtLPLA was characterized by complementation of a lipoic acid auxotrophic E. coli mutant and the analysis of Arabidopsis knockout mutants and RNAi lines. LPLA is an essential enzyme. The mitochondrial octanoyltransferase (AtLIP2), which uses de novo synthesized octanoic acid for protein lipoylation shows transcriptional co-regulation with photorespiratory enzymes. These results demonstrate for the first time the existence of two specialized lipoylation pathways in plant mitochondria. The LPLA pathway is essential for lipoylation of E2 subunits of ketoacid dehydrogenases, whereas the mtKAS-dependent pathway primarily ensures the high lipoylation demand of the photorespiratory pathway. In contrast, plastidial protein lipoylation exclusively utilises octanoyl-ACP via two redundant octanoyltransferases and one indispensable lipoate synthase.