Proteinabbau in Arabidopsis

Forschungsprojekt P 13927Proteinabbau in ArabidopsisAndreas BACHMAIR11.10.1999 Proteinabbau ist eine essentielle Aktivität jeder lebenden Zelle. Der Vorgang ist in vieler Hinsicht genau geregelt. So werden manche Zellbestandteile innerhalb von Minuten abgebaut, während andere Wochen oder Monate überdauern. Die Abbaugeschwindigkeit kann auch durch äußere oder innere Parameter verändert werden, sodass ein normalerweise stabiles Protein plötzlich zum Substrat des spezifischen Abbaus wird. Schließlich können Proteine in einem Teil der Zelle stabil sein, in einem anderen aber rasch abgebaut werden. Bei Tieren wie bei Pflanzen spielt der sogenannte Ubiquitin-abhängige Proteolyseweg eine herausragende Rolle, ist er doch für den Großteil des selektiven Proteinabbaus verantwortlich. Viele Komponenten des Ubiquitin- abhängigen Abbauweges sind bereits charakterisiert worden, die Kenntnisse sind aber bei weitem nicht ausreichend für eine detaillierte Beschreibung. Bei vielen Proteolysevorgängen ist selbst eine grobe Beschreibung noch nicht möglich. Der Forschungsantrag beschäftigt sich mit der Ubiquitin-abhängigen Proteolyse in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Im Mittelpunkt steht dabei die Frage, welche Zellabläufe auf Proteolysevorgange angewiesen sind, und wie einzelne Komponenten des Ubiquitin-Systems ihre Aufgabe bewältigen. Pflanzen mit Veränderungen in Genen der Proteolyse stehen im Zentrum des Antrages, da sich mit ihrer Hilfe am besten die Funktion einzelner Komponenten für das gesamte Zellgeschehen dokumentieren und studieren lässt.

Eiweiß, der Hauptbestandteil lebender Strukturen, kann in Lebewesen sowohl hergestellt, als auch wieder abgebaut werden. Die Zeitspanne, während der Eiweißmoleküle (Proteine) im Zellinneren erhalten bleiben, kann von vielen Jahren bis zu wenigen Minuten reichen. Es gibt ausgeklügelte Mechanismen, mit deren Hilfe entschieden wird, ob ein Protein rasch abgebaut wird oder eine lange Lebensdauer erreicht. Der wichtigste Abbauweg für Proteine ist der sogenannte Ubiquitin-Proteasom Weg. Dieser Abbauweg kann zwischen langlebigen und kurzlebigen Proteinen unterscheiden, indem Teile kurzlebiger Proteine, sogenannte Abbausignale, erkannt werden. Diese Erkennungssignale führen dazu, dass mehrere Kopien des keinen Proteins Ubiquitin an das kurzlebige Substratprotein angeheftet werden. Die Markierung durch Ubiquitin ist wiederum das Erkennungsmerkmal für das Proteasom, welches als Eiweiß spaltender Enzymkomplex die Substratproteine zerstört. Unser Interesse gilt dem Ubiquitin-Proteasom Weg in Pflanzen. Der Abbau von Proteinen spielt für Pflanzen eine große Rolle, z. B. bei der Reifung von Früchten (Eiweiß wird in den Blättern abgebaut, die Bestandteile werden zum Aufbau der Früchte eingesetzt), oder beim herbstlichen Blattverlust der Laubbäume (die Eiweißbestandteile werden aus den Blättern abgezogen und im nächsten Frühjahr wiederverwendet). In beiden Fällen sterben Teile der Pflanze ab, um anderen Teilen bessere Entwicklungsmöglichkeiten zu geben. Wir haben eines jener Enzyme charakterisiert, welche Abbausignale an Substratproteinen erkennen (eine sogenannte Ubiquitin-Protein Ligase). Das Enzym wurde sowohl genetisch, als auch biochemisch analysiert. Wir haben auch Enzyme mit verwandter Funktion gesucht und mit ihrer Charakterisierung begonnen. Schließlich haben wir die Rolle des Ubiquitin-Proteasom Weges bei sogenannten programmierten Zelltod-Vorgängen untersucht. Die Untersuchungen tragen zum besseren Verständnis pflanzlicher Stoffwechselvorgänge bei, insbesondere jener, welche der effizienten Nutzung von Nährstoffen dienen und von Bedeutung für den Ernteertrag in der Landwirtschaft sind.