Abstract Vesicle-inducing protein in plastids (VIPP1) is essential for the biogenesis and maintenance of thylakoid membranes, which transform light into life. However, it is unknown how VIPP1 performs its vital membrane-shaping function. Here, we use cryo-electron microscopy to determine structures of cyanobacterial VIPP1 rings, revealing how VIPP1 monomers flex and interweave to form basket-like assemblies of different symmetries. Three VIPP1 monomers together coordinate a non-canonical nucleotide binding pocket that is required for VIPP1 oligomerization. Inside the ring’s lumen, amphipathic helices from each monomer align to form large hydrophobic columns, enabling VIPP1 to bind and curve membranes. In vivo point mutations in these hydrophobic surfaces cause extreme thylakoid swelling under high light, indicating an essential role of VIPP1 lipid binding in resisting stress-induced damage. Our study provides a structural basis for understanding how the oligomerization of VIPP1 drives the biogenesis of thylakoid membranes and protects these life-giving membranes from environmental stress.

Chloroplast gene expression is tightly regulated and majorly controlled on the level of protein synthesis. Fine-tuning of translation is vital for plant development, acclimation to environmental challenges and for the assembly of major protein complexes such as the photosynthesis machinery. However, many regulatory mediators and the interaction network of chloroplast ribosomes are not known to date. We report here on a deep proteomic analysis of the plastidic ribosome interaction network in Chlamydomonas reinhardtii cells. Affinity-purification of ribosomes was achieved via endogenous affinity tagging of the chloroplast-encoded protein Rpl5, yielding a specific enrichment of >650 chloroplast-localized proteins. The ribosome interaction network was validated for several proteins and provides a new source of mainly conserved factors directly linking translation with central processes such as protein folding, photosystem biogenesis, redox control, RNA maturation, energy and metabolite homeostasis. Our approach provided the first evidence for the existence of a plastidic co-translational acting N-acetyltransferase (cpNAT1). Expression of tagged cpNAT1 confirmed its ribosome-association, and we demonstrated the ability of cpNAT1 to acetylate substrate proteins at their N-terminus. Our dataset establishes that the chloroplast protein synthesis machinery acts as nexus in a highly choreographed, spatially interconnected protein network and underscores its wide-ranging regulatory potential during gene expression.

Chloroplast RNAs are stabilized and processed by a multitude of nuclear-encoded RNA binding proteins, often in response to external stimuli like light and temperature. A particularly interesting RNA based regulation occurs with the psbA mRNA, which shows light-dependent translation. Recently, the chloroplast ribonucleoprotein CP33B was identified as a ligand of the psbA mRNA. We here characterized the interaction of CP33B with chloroplast RNAs in greater detail using a combination of RIP-chip, quantitative dot-blot, and RNA-Bind-n-Seq experiments. We demonstrate that CP33B prefers psbA over all other chloroplast RNAs and associates with vast majority of the psbA transcript pool. The RNA sequence target motif determined in vitro does not fully explain CP33Bs preference for psbA, suggesting that there are other determinants of specificity in vivo.

Abstract The recent use of photosynthetic organisms such as Chlamydomonas reinhardtii in biomedical applications has demonstrated their potential for the treatment of acute and chronic tissue hypoxia. Moreover, transgenic microalgae have been suggested as an alternative in situ drug delivery system. In this study, we set out to identify the best available combination of strains and expression vectors to establish a robust platform for the expression of human pro-angiogenic growth factors, i.e. hVEGF-165, hPDGF-B, and hSDF-1, in biomedical settings. As a case study, combinations of two expression vectors (pOpt and pBC1) and two C. reinhardtii strains (UVM4 and UVM11) were compared with respect to hVEGF-165 transgene expression by determination of steady-state levels of transgenic transcripts as well as immunological detection of recombinant proteins produced and secreted by the generated strains. The results revealed the combination of the UVM11-strain with the pBC1-vector to be the most efficient one for high level hVEGF-165 production. To assess the robustness of this finding, the selected combination was used to create hPDGF-B and hSDF-1 transgenic strains for optimized recombinant protein expression. Furthermore, biological activity and functionality of algal-produced recombinant pro-angiogenic growth factors were assessed by receptor phosphorylation and in-vitro angiogenesis assays. The results obtained revealed a potentiating effect in the combinatorial application of transgenic strains expressing either of the three growth factors on endothelial cell tube formation ability, and thus support the idea of using transgenic algae expressing pro-angiogenic growth factors in wound healing approaches.