Ziele calciumabhängiger Proteinkinasen in Arabidopsis

Dieses Projekts ist die Fortsetzung meines FWF-Projektes "Calcium abhängige Proteinkinasen in Arabidopsis". Aufbauend auf den Ergebnissen des Vorprojektes sollen hier molekulare Ziele von calcium-abhängigen Proteinkinasen (CPKs) identifiziert werden um die biologische Funktion dieser Komponenten in der Regulation der Entwicklung und Stressanpassung in Pflanzen zu verstehen. Basierend auf den bisherigen Ergebnissen steht dabei die Kinase CPK3 (Gene identifier: At4g23650) im Mittelpunkt, sowie ihre potenziellen Substrate: basische Leucin Zipper (bZIP) Transkrptionsfaktoren. Schwerpunktmässig soll der Einfluss von Proteinphosphorylierung auf die Regulation des Grundstoffwechsels und in der Stressanpassung bei veränderten Umwelteinflüssen untersucht werden, der durch die Modifizierung der Transkriptionsfaktoren reguliert wird. Dabei werden, in Zusammenarbeit mit den Forschungsgruppen von Klaus Harter (Univ. Tübingen) und Woflgang Dröge-Laser (Univ. Göttingen), verschiedene Ansätze genutzt, um die Phosphorylierung der Transkriptionsfaktoren funktionell zu untersuchen. Weitere Analysen auf dem Gebiet der zucker-induzierten Signaltransduktion werden in Kooperation mit Sjef Smeekens von der Univ. Utrecht durchgeführt. Generelles Ziel unseres Forschungsnetzwerkes ist es die Rolle von bestimmten Proteinkinasen (CPKs) in physiologischen Anpassungsprozessen und bei der Modulation des pflanzlichen Stoffwechsels unter veränderten Umweltbedingungen aufzuklären.

Energiegewinnung und Regulation des Energieverbrauchs durch verschiedene Stoffwechselwege ist von fundamentaler Bedeutung für alle Lebewesen auf der Erde. Pflanzen nutzen die Fotosynthese, um energiereiche Verbindungen für ihr Leben und Wachstum zu erzeugen und bilden damit auch die Grundlage der menschlichen Ernährung. Die Anpassung des Stoffwechsels an Änderungen der Umgebung ist von größter Bedeutung für effizientes Wachstum und Produktivität. Zentrale Signalübertragungswege regulieren dabei verschiedene Reaktionen, die Pflanzen erlauben, sich an unvorteilhafte Umweltbedingungen anzupassen. Solche "Verteidigungsmechanismen" sind z.B. die Regulation von Ionenkanälen oder die Synthese von Osmolyten unter Salzstress-Bedingungen, und natürlich auch die Regulation ihres Energieverbrauchs. Diese Reaktionen werden durch Signalwege vermittelt, die Proteinkinasen als "molekulare Schalter" benutzen, indem sie Phosphatgruppen auf Zielproteine übertragen. Das führt dazu, dass dieses phosphorylierte Protein eine veränderte Aktivität oder eine andere zelluläre Lokalisierung aufweist. Viele extrazelluläre Signale rufen sogenannte Kalzium-Signale in Zellen hervor, bei denen ein plötzlicher Anstieg in der Konzentration von freien Ca2+ Ionen zur Aktivierung von Kalzium- abhängigen Proteinkinasen (CDPKs) führt. Wir haben eine solche CDPK identifiziert, die essenziell für die Anpassung an Salzstress in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ist. Diese Kinase ist im Zellkern und an verschiedenen zellulären Membranen lokalisiert. Die Membranlokalisierung wird durch Anhängen der C14- Fettsäure Myristat bewirkt. Wir konnten zeigen, dass dieser Mechanismus auch für viele andere CDPKs zutrifft (Benetka et al. 2008). Die Hauptfunktion dieser Kinase in der Salzstressanpassung scheint dabei die Regulation von verschiedenen Membranproteinen zu sein, die wahrscheinlich für die Regulation des Ionenhaushaltes verantwortlich sind (Mehlmer et al. 2010). Die Funktion der Kinase im Zellkern ist derzeit noch offen, da wir keine Änderungen in der Genexpression beobachten konnten. Außerdem haben wir weitere Ziele dieser Kinase im Cytosol identifizieren können, die in die Regulation des Wurzelwachstums unter verschiedenen Stressbedingungen (Rietz et al. 2010), oder in die Regulation der Stickstoffassimilation involviert sind (Lambeck et al. 2010). Literatur: Benetka W, Mehlmer N, Sammer M, Neumüller R, Maurer-Stroh S, Koranda M, Knoblich J, Teige M, and Eisenhaber F. (2008) Experimental testing of predicted myristoylation targets involved in asymmetric cell division and calcium-dependent signalling. Cell Cycle 7: 3709-3719. Mehlmer N, Wurzinger B, Stael S, Hofman-Rodrigues D, Csaszar E, Pfister B, Bayer, R, and Teige M (2010) The Ca2+-dependent protein kinase CPK3 is required for MAPK-independent salt-stress acclimation in Arabidopsis. The Plant Journal 63: 484-498. Rietz S, Dermendjiev G, Oppermann E, Tafesse FG, Holk A, Parker JE, Teige M, and Scherer GE. (2010) Roles of Arabidopsis Patatin-Related Phospholipases A in Root Development Are Related to Auxin Responses and Phosphate Deficiency. Mol Plant 3:524-538. Lambeck I, Chi JC, Krizowski S, Mueller S, Mehlmer N, Teige M, Fischer K, and Schwarz G (2010) Kinetic analysis of 14-3-3 inhibited Arabidopsis thaliana nitrate reductase. Biochemistry, in press. PMID: 20690630.