Modulierung von ER-stress und Proteinaggregation in Samen

Pflanzensamen bieten Vorteile für die Produktion von pharmazeutischen Proteinen (Molekulares Farming), weil sie darauf spezialisiert sind, grosse Mengen von relativ komplexen Speicherproteinen zu synthetisieren und stabil zu speichern. Eine daraus resultierende Überladung des sekretorischen Systems der Samenzellen führt jedoch oft dazu, dass das sekretorische System der Zellen, welches die Proteine synthetisiert und stabil faltet, überladen wird. Dies führt dazu, dass die pharmazeutischen Proteine nicht richtig gefaltet werden und als unlösliche Aggregate in den Zellen abgelagert werden, was die Ausbeute bei der Produktion deutlich reduzieren kann. Die Pflanzenzellen selber reagieren auf diese Situation mit einer Stressantwort, welche die Zellen schützen soll, indem einerseits die für die Proteinfaltung verantwortliche zelluläre Maschinerie verstärkt wird, andererseits aber die generelle Proteinsynthese reduziert wird. Demnach ist es denkbar, dass die Ausbeute an rekombinantem Protein erhöht werden könnte, indem ein Teil dieser Stressantwort, der die Proteinfaltung begünstigt, genützt wird. Um dies zu erzielen, ist jedoch ein grundlegendes Verständnis der zellulären Mechanismen nötig, welche die Stressantwort steuern. Unser Ziel ist es deshalb, die molekulare Basis der Stressantwort der Zellen in Samen von Reis und Arabidopsis zu analysieren und die entsprechenden Regelkreise näher zu verstehen. Diese Information soll in der Folge dazu benutzt werden, um Strategien zu entwickeln, welche die Produktionseffizienz rekombinanter Proteine erhöhen sollen. Diese Strategien wollen wir im zweiten Teil des Projektes in Getreidesamen testen, die eine reduzierte Menge von eigenen Speicherproteinen akkumulieren, und somit eine höhere Kapazität für die Produktion von Fremdproteinen und eine geringere Anfälligkeit für die Überlastung des sekretorischen Systems aufweisen. Die erwarteten Resultate sollen in der biotechnologischen Produktion pharmazeutischer Proteine einen Vorteil bringen, und darüberhinaus unser Verständnis der pflanzlichen Stressantwort vertiefen, die auch bei der Entwicklung von allgemein Umweltstress-toleranten Pflanzen eine grosse Rolle spielt.

Pflanzensamen bieten Vorteile für die Produktion von pharmazeutischen Proteinen ("Molekulares Farming"), weil sie darauf spezialisiert sind, große Mengen von relativ komplexen Speicherproteinen zu synthetisieren und stabil zu speichern. Eine daraus resultierende Überladung des sekretorischen Systems der Samenzellen führt jedoch oft dazu, dass das sekretorische System der Zellen, welches die Proteine synthetisiert und stabil faltet, überladen wird. Dies führt dazu, dass die pharmazeutischen Proteine nicht richtig gefaltet werden und als unlösliche Aggregate in den Zellen abgelagert werden, was die Ausbeute bei der Produktion deutlich reduzieren kann. Die Pflanzenzellen selber reagieren auf diese Situation mit einer Stressantwort, welche die Zellen schützen soll, indem einerseits die für die Proteinfaltung verantwortliche zelluläre Maschinerie verstärkt wird, andererseits aber die generelle Proteinsynthese reduziert wird. Demnach ist es denkbar, dass die Ausbeute an rekombinantem Protein erhöht werden könnte, indem ein Teil dieser Stressantwort, der die Proteinfaltung begünstigt, genützt wird. Um dies zu erzielen, ist jedoch ein grundlegendes Verständnis der zellulären Mechanismen nötig, welche die Stressantwort steuern. Im Rahmen dieses Projektes haben wir deshalb Pflanzensamen analysiert, die unterschiedliche rekombinante Proteine produzieren, und wir konnten zeigen, dass die Ablagerung von schwer löslichem Protein in Vesikeln des Endoplasmatischen Retikulums häufiger auftritt als bisher angenommen. Wir konnten außerdem zeigen, dass viele Parallelen zu sogenannten Russell-bodies bestehen, die bisher nur in Säugetierzellen beschrieben wurden. Zur genaueren Untersuchung dieser Strukturen, wurden 3D elektronenmikroskopische Techniken verwendet und für Pflanzensamen optimiert. Außerdem wurde die molekulare Stressantwort in Samen von Arabidopsis genauer analysiert, um die entsprechenden Regelkreise näher zu verstehen. Diese Information führte zu einem besseren Verständnis der pflanzlichen Stressantwort bei der biotechnologischen Produktion pharmazeutischer Proteine und wird dazu benutzt, um in unterschiedlichen Nutzpflanzen Strategien zu entwickeln, welche die Produktionseffizienz rekombinanter Proteine erhöhen sollen.