In vivo Protein Interaktion während Zellsignaltransduktion

Die Fähigkeit der Anpassung an sich verändernde Umweltbedingungen ist eine essentielle Eigenschaft jedes Organismus. Diese Anpassung basiert auch auf einer entsprechenden Verarbeitung externer Signale durch Membranrezeptoren und einer Integration dieser Signale über ein Netzwerk von Mitogen-aktivierten Proteinkinasen (MAPKs). In Arabidopsis thaliana wurden die MAPKs in der Regulation von Stress und in der Entwicklung beschrieben, die Mechanismen welche die Spezifizität der Signaltransduktion steuern, sind jedoch unklar. Die Untersuchung der MAPK Signaltransduktion mit Säugetierzellen hatte ergeben, dass die Lokalisation der beteiligten Komponenten entscheidend für das Ergebnis ist und dass MAPK- Phosphatasen die Spezifizät der MAPK Signalwege sowohl durch Inaktivierung der MAPK als auch durch räumlich-zeitliche Regulation steuern. Wir charakterisierten in Arabidopsis die AP2C Phosphatasen (AP2Cs) vom Typ 2C als MAPK-Phosphatasen, welche mit MAPKs interagieren und diese auch inaktivieren. AP2Cs kontrollieren spezifisch pflanzliche Immunität und zelluläre Entwicklung. Wir hatten auch entdeckt, dass die Lokalisation der AP2Cs deutlich die Signalrichtung der MAPK beeinflusst. Die Studien aus dem Säugetierbereich und Anhaltspunkte aus der Pflanzenforschung unterstützen unsere Hypothese, dass pflanzliche MAPK-Phosphataseninunterschiedlichen zellulären Kompartments die MAPKs inaktivieren und dadurch durch Lokalisation und Interaktion mit MAPK die Signalrichtung steuern. Die Bestimmung der intrazellulären Lokalisation von Enzymenist daher von entscheidender Bedeutung,spezifische Funktionen und Substraterkennung in der Regulation der Signaltransduktion festzustellen. Wir schlagen daher vor, die Lokalisation und die in vivo Interaktion der MAPK Phosphatasen mit deren Substraten mit Hilfe neuester Mikroskopiertechnik zu untersuchen. Die dynamische Lokalisation und Interaktion der Phosphatasen mit den MAPKs in vivo wird unter Normal- und Stressbedingungen mit modernster Mikroskopiertechnik und mit molekularbiologischen und biochemischen Methoden untersucht. Zusammengefasst wird diese Studie das Verständnis der Regulierung der MAPK Signaltransduktion in Pflanzen entscheidend erhöhen und die zellautonome Plastizität der Pflanzen während der Stressadaption beleuchten.

Das Forschungsgebiet der zellulären Signaltransduktion beschäftigt sich mit der Aufnahme, der Weiterleitung und der Verarbeitung von (Umwelt)signalen innerhalb der Zelle, welche zu einer Antwortreaktion z.B. in Form von spezifischer Genexpression und veränderten Metabolismus führt. In diesem intrazellulären Netzwerk spielt die Familie der mitogenaktivierten Proteinkinasen (MAPKs) eine entscheidende Rolle, deren kaskadenartige Aktivierung durch sequentielle Phosphorylierung erfolgt, welche rasch zu einer sehr spezifischen Zellantwort führt. Eine Vielzahl von Signalwegen wird durch dieselben MAPKs transmittiert, jedoch mit zum Teil völlig unterschiedlichen Ergebnissen. Wie diese Reaktionsspezifität in den MAPK Kaskaden erreicht wird, ist eine der zentralen Fragen in der molekularbiologischen Grundlagenforschung, insbesondere da MAPKs im Allgemeinen innerhalb der Pflanze gleichmäßig verteilt (exprimiert) sind. Die Aktivierung der MAPKs durch Phosphorylierung erfolgt meist vorübergehend. Die Inaktivierung einer aktiven MAPK durch Dephosphorylierung ist in diesen Prozessen ein essentieller Vorgang, welcher durch Proteinphosphatasen (MAPK Phosphatasen) durchgeführt wird. Dieses Projekt ging der Frage nach, ob die Signalspezifität durch Visualisierung der intrazellulären Proteinlokalisation und von Proteininteraktionen der MAPKs mit MAPK Phosphatasen mittels neuersten Mikroskopiertechniken erklärt werden könnte. Es konnte tatsächlich nach Stressbehandlung und Applikation von Inhibitoren, welche die Proteintranslokation stören, gezeigt werden, dass eine MAPK Phosphatase intrazellulär in unterschiedlichen Organellen lokalisiert ist, während sich die Lokalisierung der MAPKs kaum veränderte. Weiters konnte ein Proteinbereich der Phosphatase identifiziert werden, welcher für diese Lokalisierungsveränderung verantwortlich ist. Diese Studie leistet einen entscheidenden Beitrag zur Aufklärung der Spezifität von MAPK Signalwegen in Pflanzen, welcher jedoch über die pflanzliche Grundlagenforschung hinausgeht.