Arabinoglactan-Proteine und programmierter Zelltod

Jede Pflanzenzelle ist in ihrer Zellwand eingebettet. Diese besteht aus kompliziert aufgebauten hochmolekularen Zuckerverbindungen, welche für Wachstum und Entwicklung der Pflanze von großer Bedeutung sind. Eine der kompliziertesten Zellwandbestandteile sind Arabinogalactan-proteine (AGPs). Diese Glycoproteine befinden sich nicht nur in der Zellwand, wo sie an andere hochmolekulare Zucker gebunden sind, sondern viele AGP-Arten sind mittels eines Fettmoleküls in der Zellmembran verankert. Obwohl man annimmt, dass AGPs in vielen Lebensvorgängen der Pflanzen eine wichtige Rolle spielen ist ihre Wirkungsweise noch völlig unbekannt. Eine der vermuteten Rollen von AGPs ist in der Kontrolle des programmierten Zelltodes - eines Prozesses mit dem jeder vielzellige Organismus die Anzahl und das Schicksal seiner Zellen steuert. Trotz der enormen Bedeutung dieses Vorganges sind viele seiner Einzelheiten noch unbekannt. So ist grossteils unverstanden wie Informationen die Zelltod auslösen von außerhalb der Zelle in ihr Inneres gelangen. Meine Hypothese besagt, dass AGPs an der Übertragung von Information über den Zustand der Zellwand ins Zellinnere beteiligt sind. Dies leitet sich unter anderm aus meiner Beobachtung ab, dass eine Beschädiging der AGPs rasch programmiertem Zelltod auslöst. Um meine Hypothese zu testen, werde ich zunächst die unmittelbaren Konsequenzen der Beschädigung von AGPs auf Calcium und Sauerstoffradikale, zwei wichtige intrazelluläre Signale die programmierten Zelltod steuern, mikroskopisch untersuchen. Danach werde ich Gene isolieren, die für den durch AGP- Schaden ausgelösten Zelltod notwendig sind oder diesen unterdrücken. Ausserdem werde ich untersuchen, ob diese neu entdeckten Gene auch für pflanzliche Krankheitsvorgänge bedeutend sind. Langfristig wird dieses Projekt zu einem verbesserten Grundverständnis der Regulation von Wachstum und Krankheitsabwehr führen.

Pflanzenzellen sind von einer Zellwand aus faserartigen Polymeren umgeben. Dieses Netzwerk aus Zellulose, Hemizellulose, Pektin und Glycoproteinen (mit Zuckern dekorierte Eiweißmoleküle), ist nicht nur der größte Bestandteil nachwachsender Rohstoffe sondern ist sowohl bei der Zellteilung und Zellstreckung als auch in der Abwehr von Krankheitserregern und für die Toleranz ungünstiger Umwelteinflüsse von Bedeutung. Eine der größten Glycoprotein Familien sind Arabinogalactan Proteine (AGPs), die in allen pflanzlichen Lebensvorgängen mitspielen. Einer der wichtigsten Lebensvorgänge ist der programmierte Zelltod. Trotz der biologischen Bedeutung von AGPs ist kaum bekannt wie sie mit anderen Molekülen in Wechselwirkung treten. Ich fragte mich also durch welche genetischen Prozesse eine Veränderung in AGPs zum Zelltod führt. Normalerweise wird dieser Prozess durch ein Netz positiver und negativer Regulatoren ausbalanciert. Um solche Regulatoren zu finden entwickelten wir Werkzeuge genetischer und pharmakogenetischer Analyse. Als genetische Modelle benutzten wir Mutanten der Laborpflanze Arabidopsis: uge4, deren AGPs abnormale Zuckerstrukturen aufweisen und fla4, der ein einziges AGP Gen fehlt. Beides führt zu abnormalem Wurzelwachstum und Zelltod. In uge4 und fla4 Pflanzen erzeugten wir Zufallsmutationen und sammelten Nachkommen in denen wir eine Verstärkung oder Unterdrückung der Wachstumsdefekte beobachteten. In einem als Pharmakogenetik` bezeichneten Ansatz behandelten wir Pflanzen mit einem Farbstoff der an AGPs bindet, ihre Funktion stört und dadurch Zelltod auslöst. Wir testeten mit dieser Methode ca. 150 Mutanten, deren Signalwahrnehmung, übertragung oder Genregulation gestört ist. Komplementär dazu untersuchten wir die Reaktion der fla4 Mutante auf verschiedene chemische Regulatoren und Inhibitoren spezifischer zellulärer Signalprozesse. Schließlich erzeugten wir Versuchspflanzen mit genetisch modifizierten Versionen von Rezeptor Kinasen. Dies sind mit Antennen vergleichbare Moleküle, die wir auf eine Art veränderten welche die Übertragung von Signalen aktiv unterdrücken soll. Mittels oben erwähnter pharmakogenetischer Methoden entdeckten wir eine neue Aufgabe der bekannten Wachstumsregulatoren Abszisinsäure und Brassinolid in der Überwachung des Zusammenspiels von AGP-Struktur, Zellwachstum und Zelltod. Außerdem identifizierten wir eine Reihe genetischer Modulatoren dieses Prozesses. Unser wichtigster Fortschritt war die Entdeckung mehrerer Gen Loci die Zelltod in fla4 unterdrücken und das Wachstums normalisieren. Die ungefähren Positionen dreier Loci wurde bestimmt und durch Genomsequenzierung näher charakterisiert. Für einen Lokus verblieben interessanterweise als einzige Kandidaten, eine Rezeptor Kinase und ein Regulator der Genexpression. Die Aufklärung der genetischen Kontrolle von Zellwandstruktur und Biomasseproduktion, wird uns helfen das Wachstum von Pflanzen unter schwierigen Umweltbedingungen besser zu verstehen.