PIN2 Ubiquitinierung und Degradation

PIN Proteine in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana fungieren als Transporter, die den Export des Wachstumsfaktors Auxin aus der Zelle bewerkstelligen. Weiterführende Analysen dieser Membranproteine zeigten, dass die sub-zelluläre Lokalisierung von PINs die Richtung des Auxintransportes determiniert, und dadurch eine grosse Zahl von Entwicklungsabläufen beeinflusst. Vorarbeiten aus unserem Labor zeigen nun, dass neben der Kontrolle der sub-zellulären Lokalisierung von PINs auch eine gewebsspezifische Regulation der PIN Proteinmenge von zentraler Bedeutung für den Auxintransport ist. So konnte für PIN2 gezeigt werden, dass sowohl Umweltbedingungen als auch endogene Signale einen regulierenden Einfluss auf Lokalisierung als auch proteolytischen Abbau dieses Proteins haben. Weiters konnte gezeigt werden, dass PIN2 durch Ubiquitin kovalent modifiziert wird. Eine Vielzahl von Prozessen wird durch die Bindung von Ubiquitin an Zielproteine gesteuert. So fungiert Ubiquitinierung zum Beispiel als Signal für die proteolytische Degradation. In tierischen Organismen konnte gezeigt werden, dass Ubiquitinierung von Membranproteinen deren subzelluläre Lokalisierung als auch deren Abbau entscheidend beeinflusst. Ubiquitinierung von PIN2 deutet auf die Existenz von ähnlichen Mechanismen in Pflanzen hin. In diesem Projekt soll die biologische Bedeutung der Ubiquitinierung von Membranproteinen in Pflanzen genauer analysiert werden. Zu diesem Zweck sollen mutierte Varianten von PIN2 konstruiert werden, die nicht mehr ubiquitiniert werden können. Eine detailierte Analyse von Lokalisierung, proteolytischem Abbau und Funktionalität dieser mutierten Proteine sollte die Rolle von Ubiquitinierung in der Regulation von PIN2-mediierten Auxintransport erbringen. Weiters konnten in Vorarbeiten eine Reihe von genetischen Faktoren gefunden werden, die den proteolytischen Abbau von PIN2 und weiteren PIN Proteinen beeinflussen. Eine funktionelle Charakterisierung von einigen dieser Gene stellt den zweiten Schwerpunkt dieses Projektantrages dar. Ubiquitinierung und Abbau von Membranproteinen in Pilzen und tierischen Organismen stellt eine zentrale Schnittstelle in der Interaktion mit der Umwelt dar. Eine tiefergehende Analyse dieser Prozesse in Pflanzen könnte somit zu neuen Einblicken in Mechanismen der Pflanzenadaption in einer sich kontinuierlich verändernden Umwelt führen.

Die Entwicklung höherer Pflanzen zeichnet sich, im Gegensatz zu prä-determinierten tierischen Entwicklungsabläufen durch eine bemerkenswerte Flexibilität aus. Diese Anpassung an standortbedingte Veränderungen (Adaptation) betrifft primär die postembryonale Entwicklung, und wird durch ein umfassendes Spektrum an sensorischen Signaltransduktionsmechanismen kontrolliert. Veränderungen in der Umwelt werden durch diese Signaltransduktionswege übermittelt und beeinflussen nachhaltig endogene Entwicklungsprogramme der Pflanzen. Eine Schlüsselrolle in der Regulation des Zellzyklus und der Differenzierung von Pflanzenzellen spielen eine Reihe von Pflanzenhormonen, welche die Anpassung des Pflanzenwachstums regulieren. In diesem Projekt wurde die Regulation von Transportern des Pflanzenhormones Auxin untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Degradation von Auxintransportproteinen insbesondere durch Modifikation durch ein weiteres Protein namens Ubiquitin reguliert wird. Diese Modifikation induziert Internalisierung von Auxintransportern ins Zellinnere wo es letztendlich zu dessen Abbau kommt. Neben kontrolliertem Proteinabbau konnte gezeigt werden, dass Proteintranslationskontrolle von zentraler Bedeutung für den Auxintransport ist. Diese Arbeiten zeigten auf, dass selbst Defekte in einem sehr allgemeinen Aspekt der zellulären Funktion, äußerst definierte Veränderungen in der Pflanzenentwicklung induzieren können, was wiederum die zentrale Rolle von Auxin für das Pflanzenwachstum unterstreicht.