Zucker Kinasen für Biosynthese

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. Nukleotidzucker für die Synthese von Biomasse können de novo synthetisiert werden oder stammen aus einem Recycling Weg. Enzyme die für das Recycling notwendig sind, werden in diesem Antrag biochemisch charakterisiert und funktionell getestet. Eine der beteiligten Zuckerkinasen zeichnet sich durch eine neuartige Domäne aus, deren Funktion für den transienten Stärkeaushalt untersucht wird. Die Ergebnisse sind von Bedeutung für die Züchtung von Energiepflanzen, deren Nutzung im Wesentlichen auf der Verwendung von Zellwänden beruht.

Alle Pflanzenzellen sind von einer Zellwand umgeben, die im Wesentlichen ein Netzwerk aus verschiedenen Zuckerpolymeren und zuckerhaltigen Glykoproteinen darstellt. Während der Entwicklung der Pflanze vom jungen Keimling zu ausdifferenzierten Pflanzen ändern sich die Eigenschaften der Pflanzen. Zellwände in jungen Keimlingen sind dünn und flexibel, um entsprechendes Wachstum zu ermöglichen. Während der Entwicklung werden die Pflanzen größer und stabiler, was durch Verstärkung der Zellwände erreicht werden kann. Dies erfordert eine Umorganisation von Zellwandkomponenten, bei dem nicht benötigte Polymere abgebaut werden. Die frei werdenden Zucker werden in Pflanzen typischerweise recycelt und erneut aktiviert, so dass sie für den Einbau in neue Polymere zur Verfügung stehen. Am Anfang dieses Recyclingweges stehen Zuckerkinasen, die eine Phosphatgruppe an das C1- Atom des Zuckers anhängen. Diese Kinasen können immer nur einen spezifischen Zucker phosphorylieren. Ein weiteres nachfolgendes Enzym kann dann viele verschiedene Zuckerphosphate zu UDP-Zuckern umwandeln, den Bausteinen der Polymersynthasen. In diesem Projekt wurde die Rolle der Arabinose Kinase untersucht. Eine seit langem bekannte Punktmutante (ara1-1) in dem Enzym hatte zu der Annahme geführt, dass Arabinose toxisch für Pflanzen ist. Wir haben das Enzym biochemisch und molekular bearbeitet. Dabei hat sich gezeigt, dass Arabinose nicht per se toxisch ist. Ein knockout in der Arabinose Kinase akkumuliert weit höhere Arabinosemengen als die Punktmutante, ohne Anzeichen von Toxizität zu zeigen. Dieses Paradox konnte in Teilen aufgeklärt werden. Die ara1-1 Mutante hat eine minimale Restaktivität, die bei Arabinosefütterung zur Akkumulation großer Mengen an UDP-Arabinose führt, während das Wildtyp Enzym vorher inaktiviert wird. In der Folge ist das Gleichgewicht der verschiedenen UDP-Zucker in einer Zelle gestört. Es kommt zu starken Änderungen in der Genregulation, die man typischerweise in Hungersituationen findet. Dennoch ist keine objektive Hungersituation gegeben, da die Standardzucker Glucose und Saccharose in ausreichender Menge auch in ara1-1 zur Verfügung stehen. Es wurde eine Toolbox von transgenen Pflanzen etabliert, die das Testen verschiedener Erklärungsmöglichkeiten erlauben. Ähnliche komplexe Antworten findet man beim Menschen bei der Zuckertoxizität durch Galactose (Galactosämie bei Neugeborenen), die mechanistisch auch nur in Teilen verstanden sind.