Sumoylierung, Phosphorylierung und Stress bei Pflanzen

Es ist für Pflanzen als sessile Organismen von besonderer Bedeutung, dass sie sich an ungünstige Umweltbedingungen anpassen können. Der Forschungsantrag beschäftigt sich mit zwei Arten von Proteinmodifikationen, die beide zum Überleben under Umwelt-Stress beitragen. Eine Modifikation ist das kovalente Verknüpfen des kleinen Proteins SUMO mit Substraten. SUMO Konjugation ist wichtig für die pflanzliche Antwort auf Hitze, Kälte, Trockenheit und andere Stressbedingungen. Viele Charakteristika dieser Modifikation sind jedoch noch unbekannt. Die andere Modifikation, Phosphorylierung, wird ausführlich untersucht, doch ist ihre Rolle in der Stressantwort aufgrund der hohen Komplexität noch großteils unverstanden. Neuere Daten deuten darauf hin, dass Sumoylierung und Phosphorylierung in der Pflanze koordiniert werden, um dadurch optimal zum Schutz der Pflanze beizutragen. Wir wollen diese Koordination systematisch untersuchen, indem ein Labor mit Erfahrung mit Proteinmodifikatoren und ein Labor mit Expertise in Phospho-Proteomik zusammenarbeiten. Mit Hilfe biochemischer, genetischer und zellbiologischer Methoden sollen zwei neue Komponenten der SUMO Konjugation in Arabidopsis charakterisiert werden. Mutanten in diesen und in bereits bekannten Sumoylierungs- Enzymen sollen mittels Phosphoproteom-Analyse untersucht werden. Ein Vergleich mit Wildtyp-Pflanzen soll kompensatorische Änderungen und wichtige Substrate identifizieren. Kandidaten des "SUMO-Phospho Crosstalk" sollen in der zweiten Phase des Projekts untersucht werden, um zugrundeliegende Regelkreise kennenzulernen.

Das vom FWF finanzierte Projekt Sumoylierung, Phosphorylierung und Stress bei Pflanzen ergab neue Erkenntnisse darüber, wie Pflanzen schwierige Umweltbedingungen meistern können und wie sie zu diesem Zweck zwei verschiedene Enzymreaktionen koordinieren, nämlich die Modifikation von Substrat-Proteinen mittels Anhaften des kleinen Modifikatorproteins SUMO (Sumoylierung), und die Modifikation durch Phosphatreste (Phosphorylierung). Es wurde eine neue Enzymreaktion charakterisiert, welche in Vielzellern vorkommt, aber anscheinend nicht in einzelligen Organismen. Das charakterisierte Enzym katalysiert die Bildung von Ketten aus SUMO Einheiten. Kritische Parameter der Enzymreaktion wurden erstellt. Es wurde gezeigt, dass die SUMO Kettenbildung wichtig für die Reaktion von Pflanzen auf Salz-Stress und auf osmotischen Stress ist. Wir postulierten, dass das Anheften von SUMO Ketten an ein Substrat dessen Abbau mit Hilfe des Ubiquitin-Proteasom Weges herbeiführt.Im zweiten Teil des Projekts wurde die Verbindung der Proteinmodifikation durch Phosphorylierung zu jener durch Sumoylierung untersucht. Dazu wurden die zellulären Proteine (das Proteom) und sowie die phosphorylierten Proteine von Mutanten untersucht, die im Prozess der Sumoylierung gestört sind. Es stellte sich heraus, dass es viele gemeinsame Substrate für Sumoylierung und Phosphorylierung gibt. Beide Modifikationen helfen Pflanzen, mit ungünstigen Umweltbedingungen fertig zu werden. Eine Schlussfolgerung aus diesen Daten ist, dass kritische Substrate beider Modifikationswege die Anpassung an Stress regulieren, und dass der Einfluss von Sumolyierung und Phosphorylierung zum Teil auf der Nutzung derselben Stressantwort-Wege beruht.Die Proteom-Analyse ergab auch Kandidaten für den postulierten Abbauweg von Proteinen nach Modifikation durch SUMO Ketten. Es wurden nämlich Proteine identifiziert, welche in Mutanten der SUMO Kettenbildung häufiger vorkommen, obwohl ihre Synthese nicht erhöht ist. Diese Proteine werden Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein.Da die untersuchten Regulationsprozesse nicht nur in der Modellpflanze Arabidosps thaliana, sondern auch in Kulturpflanzen vorkommen, tragen die Erkenntnisse aus dem Projekt zur Verbesserung der Nahrungsmittelversorgung bei schwierigen Umweltbedingungen bei.