Biochemische und Struktur/Funktion-Analyse der PIN-Proteine

Auxin ist ein wichtiges Pflanzenhormon das in allen Phasen des pflanzlichen Lebenslaufes korrekt transportiert und umverteilt werden muss. Die an der Kontrolle und Ausrichtung der Auxinverteilung beteiligten Proteine bestimmen daher viele Aspekte des Pflanzenwachstums, der Pflanzenentwicklung und anderer physiologischer Vorgänge. Die PIN-Proteine sind eine Familie von integralen Membranproteinen die eine entscheidende Rolle beim Exportieren von Auxin aus Zellen ausüben. Trotzdem ist noch immer unbekannt wie PIN-Proteine den Auxintransport bewirken und/oder kontrollieren. Da PIN-Proteine keine signifikanten Homologien zu anderen Proteinen aufweisen, ist das Fehlen jeglicher experimentell ermittelter Kenntnis der molekularen Eigenschaften dieser Proteine ein entscheidendes Hindernis für weiteren Forschritt auf diesem Gebiet. Ich möchte diese Lücken in unserem Verständnis von PIN-Proteinen schließen indem ich unter der Verwendung eines biochemischen Zuganges einige der grundsätzlichen strukturellen Merkmale der PIN-Proteine aufzuklären gedenke, wie zum Beispiel die Membrantopologie sowie das Vorliegen von N-Glykosylierung und intra/inter-molekularen Disulfidbrücken. Ein weiteres Ziel ist die Isolierung und Charakterisierung von oligomeren Formen der PINs, da eine Oligomerisierung für die Funktion vieler Membrantransporter und Rezeptoren wesentlich ist. Die biologische Relevanz aller identifizierten Strukturmerkmale wird mittels Analyse ihrer Effekte auf die in vivo Funktionen der PINs ermittelt werden. In ihrer Gesamtheit sollen die im Zuge dieses Projektes erhaltenen Ergebnisse zu einem besseren Verständnis der molekularen Eigenschaften von PIN-Proteinen führen und damit bei der Interpretation von vergangenen und zukünftigen Studien über die Rolle der PINs bei der Auxin-Umverteilung in Pflanzen helfen.

Auxin ist ein pflanzliches Wachstumshormon, das für die Steuerung aller wichtigen Prozesse pflanzlicher Entwicklung entscheidend ist. Dieses Hormon ist an der Entwicklung der Embryos und Keimlinge maßgeblich beteiligt, ebenso wie am Übergang zur juvenilen, später adulten und reproduktiven Phase, bis hin zu Alterung der Pflanzen. Ohne diesen starken Regulator würden Pflanzen nicht überleben, und Störungen in der Wirkungsweise von Auxin führen zu Wachstumsstörungen und Missbildungen. Ein Markenzeichen von Auxin ist sein sorgfältiger Transport in die ganze Pflanze, z.B. seine Umverteilung vom Spross in die Wurzeln. Dieser Transport ist integraler Bestandteil der Funktion von Auxin, und deshalb ein intensiv bearbeitetes Forschungsgebiet. Vor allem die Mechanismen des Transports und seine Regulation sowie ihre Auswirkungen werden erforscht, aber auch was passiert, wenn dieser Transport schief geht. Pflanzen bestehen wie alle lebenden Organismen aus Zellen, daher muss Auxin durch diese Zellen weiter in die jeweils nächsten transportiert werden. Um die genaue Richtung dieses Transportes zu bestimmen, limitieren Pflanzen den Export aus einer Zelle so, dass Auxin immer nur an einer Seite der Zelle weitertransportiert werden kann, und zwar weil der notwendige Exportapparat nur an dieser Seite einer Zelle vorhanden ist. Dieser Apparat besteht aus komplizierten, sogenannten PIN-Proteinen. Ziel dieses FWF-Projekts war die Erforschung von PINs im Hinblick auf ihre molekulare Wirkungsweise. Die Ergebnisse geben uns Hinweise darauf, wie PIN Moleküle in ihrem natürlichem Zustand aussehen, wie sie Auxin transportieren könnten, wie sie in großen Multimer-Komplexen organisiert werden, und wie diese Komplexe gebildet werden. Im Rahmen dieses Projektes wurden spezifisch drei von acht pflanzlichen PINs untersucht. Eines der interessantesten Ergebnisses ist, dass die Komplexbildung dieser drei PINs unterschiedlich verläuft, auch wenn sie in derselben Zelle gefunden werden. Das weist darauf hin, dass Pflanzen die verschiedenen PINs in unterschiedlicher Weise kontrollieren. Außerdem hat dieses Projekt gezeigt, wie sich PIN-Transporter evolutionär entwickelt haben, und in welchem Verhältnis sie dabei zu anderen, Nicht-Auxin-Transportern stehen. Über einige andere Arten von gut erforschten Transportern gibt es mehr detaillierte Information, und der Vergleich zwischen diesen und PINs hilft, ein besseres Verständnis von PINs zu erlangen.