Golgi Organisation von Glykosylierungsenzymen

Der Golgi-Apparat ist das zentrale Verteilungs- und Biosynthesesystem in allen eukaryotischen Zellen. Im Golgi- Apparat werden Proteine, die zuvor im endoplasmatischen Retikulum (ER) gebildet wurden, modifiziert, Lipide und Polysaccharide synthetisiert und zu anderen Organellen weitergeleitet. Die Morphologie des Golgi-Apparates ist einzigartig. Er besteht aus mehreren membranumschlossenenen Zisternen, die eine polare Ausrichtung aufweisen. Der cis-Golgi ist zum ER gerichtet, der trans-Golgi ist zu anderen Organellen orientiert. Diese Polarität zeigt sich auch bei der Funktion, wobei in den Zisternen der cis-Seite andere Biosyntheseprozesse ablaufen als an der trans-Seite. So werden zum Beispiel im cis-Golgi bestimmte Zuckerreste von proteingebundenen Oligosacchariden abgespalten, während im trans-Golgi andere Zuckermoleküle angehängt werden. Diese Veränderungen der Zuckerketten werden von speziellen Glykosylierungsenzymen (Glykosidasen und Glykosyltransferasen) durchgeführt, die in bestimmten Zisternen konzentriert vorliegen. Eine falsche Zuordnung der Enzyme (mistargeting) kann zu schweren zellulären Defekten und in weiterer Folge zu Krankheiten beim Menschen führen, weil dann der sensible Glykosylierungsprozess gestört ist und Glykoproteine mit falschen Zuckerstrukturen gebildet werden. Eine fundamentale Frage der Zellbiologie ist nun, wie der Golgi-Apparat diese Polarität und damit seine Funktion erhalten kann, während er eine große Anzahl von Biomolekülen modifiziert und transportiert. Konkret ergeben sich folgende Fragestellungen: Wie werden Golgi-ansässige Enzyme im Golgi-Apparat zurückgehalten? Wie werden diese Enzyme auf die einzelnen Zisternen aufgeteilt und wie wird diese Organisation aufrechterhalten und kontrolliert? Für diese Fragen gibt es aus Untersuchungen mit tierischen Zellen einige Antworten. Jedoch können die entwickelten Modelle nur Teilaspekte erklären und der zugrundeliegende Mechanismus ist kaum bekannt. In Pflanzen, wo der Golgi-Apparat als Biosyntheseorganell für die Zellwand und damit für den Großteil der nachwachsenden Biomasse der Erde dient, sind diese Mechanismen vollkommen unerforscht. Das Ziel dieses Projektes ist es, die molekularen Mechanismen aufzuklären, welche die Organisation der pflanzlichen Glykosylierungsenzyme im Golgi steuern und damit die lebenswichtige Polarität erzeugen. Um dieses Ziel zu erreichen und damit die beteiligten Signale und molekularen Faktoren zu entziffern, wird der Prozess mittels molekulargenetischer, zellbiologischer und biochemischer Methoden in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana untersucht. Die Auswirkungen von gezielten Veränderungen im zellulären Prozess können dabei sehr effektiv anhand von entwicklungsabhängigen oder umweltbedingten Veränderungen der Pflanzen beobachtet werden. Da diese Mechanismen zwischen Säugern und Pflanzen konserviert scheinen, sollten die Erkenntnisse über diese faszinierende Organelle von signifikanter Bedeutung für den Mensch und seine Umwelt sein.

Ein neuer Mechanismus zur Organisation von Enzymen im Golgi-Apparat, einem wichtigen Zellorganell von pflanzlichen Zellen, wurde in diesem Projekt entdeckt. Der Golgi-Apparat besteht aus einer gestapelten Anordnung von Hohlräumen, die mit einer biologischen Membran umschlossen sind. Die Hohlräume sind mit Enzymen gefüllt, die Zuckerketten von Proteinen und anderen Molekülen mit großer Präzision modifizieren. Die Enzyme sind in den Hohlräumen des Golgi-Apparates ungleichmäßig verteilt, wobei diese gezielte Verteilung der Enzyme essentiell für deren Funktion ist. Eine falsche Anordnung der Enzyme führt zu veränderten Biosyntheseprozessen und in der Folge häufig zu schweren Defekten beim Wachstum und bei der Entwicklung von Pflanzen. Zur Aufklärung der molekularen Mechanismen, welche die Anordnung der Enzyme im Golgi-Apparat steuern, wurde dieser Prozess mittels molekulargenetischer, zellbiologischer und biochemischer Methoden in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana untersucht. Als Ergebnis wurde ein bisher unbekanntes Signal in einem sehr wichtigen Enzym, einer Glykosyltransferase namens GnTI, welche die Herstellung von komplexen Zuckerketten kontrolliert, gefunden. Ein verändertes Signal ändert die GnTI-Anordnung im Golgi-Apparat und damit die Zusammensetzung der proteingebundenen Zuckerketten. Die Erkenntnisse aus diesem Projekt sind die Grundlage für biotechnologische Prozesse zur kostengünstigen Herstellung von pharmazeutischen Proteinen in Pflanzen.