Untersuchung von proteinabbauenden Prozessen im ER von Pflanzen

Glykosylierung zählt zu den häufigsten Formen der Proteinmodifizierung in allen Eukaryonten. Die proteingebundenen Zuckerketten beeinflussen zahlreiche biologische Prozesse und sind damit essenziell für die Entwicklung von Organismen wie auch für deren Anpassung an veränderte Umweltbedingungen. Die Übertragung dieser Zuckerketten (N-Glykane) erfolgt in einem bestimmten Bereich der Zelle, dem sogenannten endoplasmatischen Retikulum (ER). Im ER spielen die N- Glykane eine kritische Rolle bei der Faltung von Proteinen. Bei diesem lebenswichtigen zellulären Prozess kann es zur Bildung von unvollständig gefalteten oder fehlerhaften Proteinen kommen, die entfernt werden müssen, um das Gleichgewicht der Zelle zu erhalten. Zellen haben aus diesem Grund ein komplexes System der Qualitätskontrolle und einen spezifischen Proteinabbauprozess (ERAD- Prozess) entwickelt. Dieser selektive Prozess verhindert die Anhäufung von veränderten Proteinen sowie deren Transport an den Wirkort, wo sie die Zelle und den ganzen Organismus schädigen können. Für das Erkennen und Aussortieren falscher Glykoproteine ist beim ERAD-Prozess konkret die Herstellung einer bestimmten Zuckerstruktur an falsch gefalteten Glykoproteinen von entscheidender Bedeutung. Im Gegensatz zu anderen Organismen sind in Pflanzen diese Qualitätskontrolle und der spezifische Proteinabbauprozess kaum untersucht. Ziel dieses Projektes ist es, den Mechanismus für den selektiven Abbau von fehlgefalteten Glykoproteinen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zu erforschen. In Vorarbeiten wurden die beteiligten Proteine und die charakteristische Zuckerstruktur identifiziert. Um den Prozess zu verstehen, ist es nun notwendig, das genaue Zusammenspiel der einzelnen Faktoren mittels molekularbiologischer und biochemischer Methoden zu erkunden. Die Ergebnisse aus dem Projekt werden das Verständnis dieses essenziellen zellulären Systems wesentlich verbessern und können zu neuen Strategien führen, um Pflanzen resistenter gegen schädliche Umwelteinflüsse zu machen, welche die weltweite Pflanzenproduktion gefährden.

Die Anheftung von Zuckergruppen an Proteine führt zur Entstehung von Glykoproteinen und zählt zu den häufigsten Formen der Proteinmodifizierung in allen Eukaryonten. Die proteingebundenen Zuckergruppen beeinflussen zahlreiche biologische Prozesse und sind damit lebensnotwendig für die Entwicklung von Organismen wie auch für deren Anpassung an veränderte Umweltbedingungen. Die Übertragung der Zuckergruppen erfolgt in einem bestimmten Bereich der Zelle, dem sogenannten endoplasmatischen Retikulum. In diesem Organell spielen Zuckerstrukturen eine kritische Rolle bei der Faltung von Proteinen. Bei diesem lebenswichtigen Prozess kann es zur Bildung von unvollständig gefalteten oder schadhaften Proteinen kommen, die entfernt werden müssen, um das Gleichgewicht der Zelle zu erhalten und mögliche Schäden zu vermeiden. Zellen haben aus diesem Grund ein komplexes System der Qualitätskontrolle und einen gezielten Proteinabbauprozess entwickelt. Für das Erkennen und Aussortieren schadhafter Glykoproteine ist konkret die Erkennung einer bestimmten Zuckerstruktur an falsch gefalteten Glykoproteinen von entscheidender Bedeutung. In diesem Projekt wurden die Mechanismen für das Entstehen der bestimmten Zuckerstruktur und deren Rolle beim gezielten Abbau von fehlerhaften Glykoproteinen in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana mittels molekularbiologischer, biochemischer und zellbiologischer Methoden erforscht. Die gewonnenen Ergebnisse bestätigen, dass Pflanzen grundsätzlich einen ähnlichen Mechanismus wie Hefen oder der Mensch zum gezielten Abbau von fehlerhaften Glykoproteinen verwenden. Eine eingehende Untersuchung der Zuckerstrukturen mittels Massenspektrometrie zeigte jedoch klare Unterschiede, die auf ein verändertes Zusammenspiel der beteiligten Proteine hinweisen. Die Ergebnisse aus dem Projekt können verwendet werden, um Pflanzen resistenter gegen Stress und schädliche Umwelteinflüsse zu machen, welche die weltweite Pflanzenproduktion gefährden.