Proteasen, auch als Peptidasen bezeichnet, katalysieren die Hydrolyse von Peptidbindungen. Diese Reaktion dient nicht nur dem Abbau beschädigter und nicht mehr benötigter Proteine, sondern auch der Regulation zahlreicher wichtiger zellulärer Prozesse. Bei der Analyse des Genoms von Arabidopsis thaliana wurden 600 für Proteasen kodierende Gene identifiziert, deren physiologische Funktion jedoch größtenteils unbekannt ist. In der vorliegenden Arbeit wurde die Funktion einzelner Deg- und GCP-Proteasen untersucht.
Die Serinprotease Deg9 wurde als erste Protease im Nukleolus des Zellkerns gefunden, die nicht mit dem Proteinabbau über das Proteasom verbunden ist. In vitro war die PDZ-Domäne von Deg9 für die Bildung hexamerer Komplexe notwendig. Mutanten, die kein Deg9 exprimieren, zeigten keinen sichtbaren Mutantenphänotyp. Deg15 hingegen ist in Peroxisomen lokalisiert und schneidet dort die Präsequenz der mittels PTS2 (peroxisomal targeting sequence 2) importierten Malatdehydrogenase. Diese Funktion konnte in vitro und in vivo belegt werden. Daher nehmen wir an, dass Deg15 die peroxisomale Prozessierungs-Protease der Pflanzen ist. Frühere Arbeiten zeigten, daß die chloroplastidäre Protease Deg2 in vitro photooxidativ geschädigtes D1 Protein im Reaktionszentrum des Photosystems II abbaut. In dieser Arbeit wurden mit Deg2-defizienten Pflanzen gezeigt, dass Deg2 für den Abbau des D1-Proteins in vivo nicht essentiell ist. Eine mögliche Funktion von Deg-Proteasen beim Abbau des D1-Proteins wurde weiterführend in der Blaualge Synechocystis untersucht. Eine Analyse von Mutanten, in denen jeweils eins der drei Deg Proteasen kodierenden Gene htrA, hhoA oder hhoB deletiert war, zeigte, daß die HhoA Protease eine wichtige Rolle beim Abbau der bei starker Belichtung auftretenden oxidativ vernetzten D1-Protein-Aggregate spielt. HhoA degradiert auch entfaltete Modellproteinsubstrate, wobei die enthaltene PDZ-Domäne die Aktivität und Komplexbildung von HhoA reguliert. Zusammenfassend schlagen wir vor, daß Deg-Proteasen Bestandteile komplexer Systeme zur Überprüfung der korrekten Proteinfaltung in Chloroplasten und Blaualgen sind, welche auch den Abbau des D1-Proteins verantworten. Als zweite Proteasenfamilie wurden die GCP-Metalloproteasen untersucht. GCP-Proteine treten in allen bekannten Genomensequenzen von Bakterien, Archäen und Eukaryoten auf und zeigen große Sequenzähnlichkeit. A. thaliana GCP1 war besonders in sich schnell teilenden Zellen exprimiert und wurde in der inneren Membran der Mitochondrien gefunden. Homozygote gcp1-Mutanten entwickelten sich nur bis zum globulären Embryonalstadium, was auf eine wichtige Rolle von GCP1 während der Embryogenese hindeutet.

Proteases, also named peptidases, are vitally important enzymes that hydrolyze peptide bonds. Proteases dispose and recycle proteins that are damaged or no longer needed, and additionally regulate virtually every important mechanism in a cell. Analysis of the genome of the model plant Arabidopsis thaliana identified approximately 600 protease encoding genes, whose physiological function is largely unknown. In the present work, I have investigated the role of selected members of the Deg serine endopeptidase family and the putative metalloproteases of the GCP family.
We identified Deg9 as the first protease in the nucleolus that is not connected to the ubiquitin-proteasome pathway. In vitro, recombinant Deg9 formed hexamers depending on the presence of the PDZ domain. However, deg9 knock-out plants were vital and did not show a visible mutant phenotype. Our studies on Deg15 revealed its subcellular localization in the peroxisomes. Functional characterization showed that Deg15 cleaves the peroxisomal targeting sequence 2 of malate dehydrogenase in vitro and in vivo and is thus suggested to be the peroxisomal processing peptidase in plants. Earlier work showed that the chloroplast-located Deg2 protease degrades photodamaged photosystem II reaction center protein D1 in vitro, which indicated an important role of Deg2 in the repair of photosystem II. In the present work, we identified and analyzed deg2 knock-out plants and demonstrated that in vivo Deg2 is not essential for this process. We further analyzed the possible role of Deg proteases in the D1 protein turnover in Synechocystis, using single deletion mutants of each of the three Deg protease-encoding genes, htrA, hhoA and hhoB. This study revealed a role of the HhoA protease in the degradation of D1 protein crosslinks that are generated under severe light stress conditions. Additionally, recombinant HhoA degraded unfolded model substrates in vitro, and the PDZ domain regulated its proteolytic activity and oligomerization state. We conclude that Deg proteases are part of protein quality control networks in the chloroplast and cyanobacteria, which also mediate the rapid turnover of the D1 protein. Additionally, we analyzed the GCP protease family in A. thaliana. GCPs are evolutionarily highly conserved and are found in all sequenced archaea, bacteria and eukaryotes. We demonstrate that A. thaliana GCP1 is expressed predominantly in rapidly dividing tissues and that it is located in the inner membrane of mitochondria. Analysis of gcp1 insertion mutants further revealed that homozygous embryos are arrested at the globular stage, indicating an important role of GCP1 during embryogenesis.