UDP-glucose 4-Epimerase Regulation

Jede Pflanzenzelle ist von einer Zellwand bestehend aus hochmolekularen Zuckermolekülen umgeben. Einerseits sind Zellwände für alle Lebensvorgänge von Pflanzen von zentraler Bedeutung und stellen andererseits den wichtigsten nachwachswenden Rohstoff der Erde dar. Gleichzeitig gehören Zellwände zu den komplexesten bekannten biologischen Materialien. Diese Komplexität schlägt sich in einer überraschend hohen Anzahl von pflanzlichen Genen nieder, welche dem Aufbau und der Umformung von Zellwandmolekülen dienen. Zum Beispiel ist die unerwartet hohe genetische Diversität der Nukleotidzucker-stoffwechsel Enzyme (NSE), welche essentielle Vorstufen zur Zellwand biosynthese herstellen, ein bis jetzt unerklärtes Phänomen, das spezifisch bei Pflanzen auftritt. Hier wird vorgeschlagen, dass die Kontrolle der NSE den Einbau von Zuckermolekülen in Zellwände reguliert. Durch Reaktion von Transkription, Enzymaktivität und Enzymlokalisierung der NSE auf Entwicklungs-, Stoffwechsel- und Umwelteinflüsse werden zelluläre Signalverarbeitungssysteme, Stoffwechsel und Zellwandstruktur dynamisch verbunden. Durch molekulargenetische biochemische und zellbiologische Untersuchungen wurden bereits individülle Funtkionen spezieller, für NSE kodierender, Gene nahegelegt. Jedoch ist der Mechanismus dieser Spezifizität völlig unbekannt. Sowohl die Grobkontrolle der Gentranskription als auch die Feinkontrolle von Enzymaktivität und Lokalisation wurden bisher vorgeschlagen. Das Enzym UDP-glucose 4- epimerase (UGE) ist für die Biosynthese von UDP-galactose und somit für eine Grosse Vielfalt von Zellwand- und anderen Kohlehydraten notwendig. Die Familie der UGE Gene von Arabidopsis thaliana stellt ein gut charakterisiertes Modell der NSE Spezialisierung dar. Das vorgeschlagene Projekt soll den Mechanismus der Regulation der Zellwand Biosynthese durch UGE Gene erforschen. Durch direkten Vergleich artifizieller genetischer Varianten von UGE genen soll die relative Rolle transkriptioneller und post-translationaler Kontrolle insbesonders der Einfluss von Proteinphosphorylierung bestimmt werden. Durch die hierbei gewonnenen grundlegenden Einsichten in die Kontrolle der pflanzlichen Zellwand-Biosynthese wird ein Wissensfeld mit grosser Bedeutung für die menschliche Gesellschaft besser beleuchtet.

Dieses FWF Projekt erweitert unser Verständnis darüber wie pflanzliche Zellwände entstehen. Jede Pflanzenzelle ist von einer mechanisch stabilen aber gleichzeitig hochgradig dynamischen Zellwand umgeben. Zellwände bestehen hauptsächlich aus kompliziert vernetzten Zuckermolekülen wie Zellstoff, Hemizellulose und Pektin oder den bis heute rätselhaften Arabinogalactan Proteinen (AGP). Viele dieser komplexen Moleküle enthalten Galaktose. Diese Zuckerart existiert in jedem Lebewesen ebenso wie das Enzym UDP-glucose 4-epimerase welches Galaktose aus Glukose herstellt. Einzig in den höheren Pflanzen gibt es mehrere UGE Gene und es wird vermutet, dass diese verschiedenen Gene die Verteilung von Galaktose zwischen unterschiedlichen konkurrierenden Stoffwechselvorgängen vermitteln. Um diese Hypothese zu überprüfen wurden in diesem FWF Projekt künstliche UGE Gene hergestellt und in Pflanzen eingeschleust denen das, für Wurzelwachstum und Zellwand wichtige, UGE4 Gen fehlt. Außerdem haben wir erstmals ein künstlich fluoreszierendes aber normal funktionierendes AGP Gen namens FLA4-Citrin hergestellt welches in Wurzelwachstum, Stresstoleranz und Samenbildung agiert. In unseren Versuchen konnten nur UGE4 und UGE2 jedoch nicht UGE1 Wurzelwachstum und Zellwandstruktur wiederherstellen. Wir identifizierten einerseits eine spezielle Region in den Proteinstrukturen von UGE4 und UGE2 die diese spezifische Funktion vermitteln könnte und andererseits eine Modifikation von UGE1 durch Einbau von Phosphat welche das Enzym für die Zellwandbiosynthese blockieren und für alternative Rollen besser verfügbar machen könnte. Zudem zeigen wir, dass UGE4 für die Bildung von FLA4-Citrin eine spezifische Rolle spielt. Unsere Arbeit deutet darauf hin wie Pflanzenzellen eine optimale Balance zwischen Wachstum und Stressabwehr erreichen.