Posttranslationale Modifikation der UDP-Glucose Dehydrogenase

Die Photosyntheseprodukte werden in Pflanzen für den eigenen Energiestoffwechsel, für Wachstum und für die Speicherung von Nährstoffen verwendet. Die Verteilung von Kohlenhydraten für die Synthese von Zellwandpolymeren, die zum Wachstum notwendig sind, wird im Rahmen dieses Antrags untersucht. Dabei steht das Enzym UDP-Glucose Dehydrogenase im Mittelpunkt, dessen Produkt etwa zur Hälfte der Biomasse von Blattzellwänden und zu einem Drittel zur Biomasse von Holz beiträgt. Das Enzym wird posttranslational modifiziert, wie wir durch massenspektroskopische Untersuchungen zeigen konnten. Die Bedeutung dieser Modifikationen für die Enzymaktivität und Regulation der Kohlenhydratverteilung soll im Rahmen dieses Projekts detailliert untersucht werden. Das Hauptkonkurrenzenzym, die Saccharosephosphat-Synthase wird durch Phosphorylierung in seiner Aktivität moduliert werden. Daher ist eine Regulation der Aktivität der UDP-Glucose Dehydrogenase durch posttranslationale Veränderungen ebenfalls zu erwarten. Mit den von uns entwickelten Werkzeugen (monoklonale Antikörper; Mutanten und transgene Linien; biochemische Analytik) kann die Funktion der Modifikation für die Verteilung von Kohlenhydraten in Zellwände untersucht werden. Die Ergebnisse sind von Bedeutung für die Züchtung von Energiepflanzen, deren Nutzung im Wesentlichen auf der Verwendung von Zellwänden beruht.

Biopolymere in pflanzlichen Zellwänden werden überwiegend aus aktivierten Zuckern (UDP- Zuckern) synthetisiert. Das Enzym UDP-Glucose Dehydrogenase (UGD) trägt zur Synthese von mehr als der Hälfte dieser Baustein für die Zellwand bei. In Pflanzen hat die UGD innerhalb ihrer Proteinsequenz einen kurzen zusätzlichen Loop an der Proteinoberfläche, den man in den UGDs aus Bakterien oder des Menschen nicht findet. Wir haben gezeigt, dass eines der Serinreste auf diesem Oberflächen-exponierten Loop phosphoryliert werden kann. Als verantwortliche Kinase wurden die MAP-Kinase 3 identifiziert. Rekombinante UGD kann durch aktive MAP-Kinase 3 in einem Enzymtest quantitativ phosphoryliert werden. Das Enzym UGD verwendet UDP-Glucose als Substrat und tritt damit in Konkurrenz zur Saccharose Bildung in Pflanzen. Das konkurrierende Enzym Saccharose-Phosphat- Synthase wird durch Phosphorylierung in seiner Aktivität stark reduziert und wir haben einen ähnlichen Mechanismus auch für die UGD postuliert. Aufgereinigte phosphorylierte UGD zeigt aber keine reduzierte Aktivität im Vergleich zur nicht phosphorylierten Kontrolle. UGD ist ein Enzym im Cytoplasma aber das Produkt des Enzyms wird im Wesentlichen im Golgi- Apparat benötigt. Mit Hilfe von fluoreszierenden Proteinen wurde die intrazelluläre Lokalisation gemessen. Die Vermutung, dass die Phosphorylierung der UGD eine Relokalisation des Enzyms an den Verbraucher Golgi-Apparat bewirkt, hat sich nicht bestätigt.