Ubiquitin und Zelltodprozesse in Pflanzen

Posttranslationale Modifikation von Proteinen durch kovalente Verknüpfung mit dem kleinen, konservierten Protein Ubiquitin, genannt Ubiquitylierung, spielt bei vielen Regulationsvorgängen eine wichtige Rolle. Wir sind insbesondere am Beitrag dieser Modifikation zu programmierten Zelltodvorgängen in Pflanzen interessiert. Der Antrag befasst sich mit zwei Gruppen von Ubiquitylierungsenzymen, für die in vorhergegangenen Arbeiten eine Verbindung zu Zelltodvorgängen hergestellt wurde. Wie viele andere Komponenten mit Funktion im Zelltod, werden auch die von uns untersuchten Proteine noch für weitere Prozesse benötigt, beispielsweise für Stressantwort oder Differenzierungsvorgänge. Die im Antrag vorgeschlagenen Arbeiten dienen vor allem der molekularen Charakterisierung der Ubiquitylierungsenzyme. Die so gewonnenen Erkenntnisse sollen es ermöglichen, die Rolle der studierten Proteine bei allen zellulären Prozessen besser zu verstehen. Die erste Ubiquitylierungsreaktion von besonderem Interesse wird mit Hilfe von Ubiquitin Konjugationsenzymen ausgeführt, welche ungewöhnlich groß sind und entfernte Verwandtschaft zu einem anti-apoptotisch wirkenden Protein aus Säugetieren aufweisen. Es sollen intrazelluläre Lokalisation, Interaktionspartner und in vitro Aktivität studiert werden. Die zweite Ubiquitylierungsreaktion heißt N-end rule Proteinabbauweg. Der Antrag umfasst die Suche nach weiteren Enzymen dieses Abbauweges, sowie die Charakterisierung von Substraten, welche für eine pflanzenspezifische Form des Zelltodes, die Seneszenz, von Bedeutung sind. Das Spekturm der Methoden umfasst in vitro Enzymreaktionen, Hefe Zwei-Hybrid-Analyse, Studium von Proteinfusionen mit fluoreszierenden Proteinen, Markierung und massenspektrometrische Analyse von Substratproteinen, sowie physiologische Charakterisierung von Pflanzen mit Mutationen in den untersuchten Komponenten. Die Arbeit soll das Verständnis pflanzlicher Zelltodprozesse vertiefen und allgemein die Kenntnisse von regulatorischen Prozessen in Pflanzen erweitern. Die gewonnenen Einsichten können damit zu Verbesserungen in der Landwirtschaft beitragen.

Die Modifikation von Proteinen nach deren Synthese, durch Verknüpfung mit sogenannten Modifikator-Proteinen, wurde erstmals vor über 20 Jahren beschrieben. Seither wurde eine ganze Reihe von Modifikator-Proteinen entdeckt. In der Zelle dient Proteinmodifikation oft als Mittler zwischen einem intra- oder extrazellulären Signal und der resultierenden Antwort, die eine Änderung in einer Enzymaktivität sein kann, oder eine Änderung in der Genregulation. In der vom FWF mittels Projekt P21215-B12, >Ubiqutitin und Zelltod bei Pflanzen<, geförderten Arbeit stehen die beiden Modifikatoren Ubiquitin und SUMO (small ubiquitin-related modifier) der Modellpflanze Arabidopsis thaliana im Mittelpunkt. Die Rolle dieser Modifikatoren bei der Anpassung an ungünstige Umweltbedingungen und bei Zelltod-Vorgängen wurde im Detail analysiert. Bisher noch nicht charakterisierte Komponenten beider Modifikationswege wurden biochemisch und durch Herstellung von Mutanten untersucht. Die Mutanten wurden genauer analysiert, um jene Prozesse zu identifizieren, zu denen die mutierten Komponenten normalerweise beitragen.Insbesondere wurden Mutanten in allen Komponenten des sogenannten >N-end rule pathway< hergestellt, eines Ubiquitin Konjugationsweges. In Kollaboration mit anderen Forschergruppen konnte gezeigt werden, dass diese Mutanten auf manche Formen von Umweltstress weniger gut reagieren können. Eine weitere untersuchte Familie von Enzymen der Ubiquitinkonjugation wirkt bei der Antwort auf reaktive Sauerstoffspecies mit. Letztere sind verbreitete Stress-Signale in Pflanzen. In vorangegangenen Arbeiten wurde eine Rolle von Ubiquitin bei Zelltodprozessen nachgewiesen, indem ein Inhibitorprotein in Pflanzen exprimiert wurde. Die Natur des dadurch ausgelösten Zelltodprogrammes, sowie einzelne Schritte der ablaufenden Prozesse, wurden genauer analysiert. Das zweite Modifikationsprotein, SUMO, hat bekannte Aufgaben bei der Bewältigung von schwierigen Umweltbedingungen. Wir haben zwei verwandte Proteine des SUMO Konjugationsweges untersucht und gefunden, dass diese besonders aktiv sind, wenn Pflanzen unter hohem Salzgehalt oder unter Trockenheit leiden.Es ist eine lohnende Aufgabe der molekularen Pflanzenwissenschaften, jene Mechanismen zu untersuchen, welche den Pflanzen helfen, mit schwierigen Umweltbedingungen fertig zu werden. Die von uns in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana studierten Gene existieren auch in Nutzpflanzen, und es ist klar, dass die Aufklärung von Mechanismen der Resistenz gegen Umweltstress dazu beitragen wird, jene Schwierigkeiten zu meistern, welche aufgrund veränderter Umweltbedingungen in der Landwirtschaft erwartet werden.