Ubiquitin E3 Ligasen und Zellpolarität in Arabidopsis

Im Allgemeinen zeichnen sich höhere Pflanzen durch gerichtetes Wachstum aus, wobei die Sprossachse nach oben ausgerichtet ist, wohingegen Wurzeln in den Boden wachsen. Die Etablierung dieser Hauptwachstumsachsen erfolgt bereits in sehr frühen Stadien der Pflanzenentwicklung und wird über den gesamten Lebenszyklus beibehalten. Gerichtetes Wachstum von pflanzlichen Organen ist unter vielfältiger Kontrolle und reagiert auf Entwicklungs- und Umweltsignale, was eine flexible Anpassung der Pflanzenentwicklung in Abhängigkeit von Umweltfaktoren erlaubt. Vor einigen Jahrzehnten wurde der Pflanzenwachstumsregulator Auxin als Schlüsselregulator des gerichteten Wachstums identifiziert. Dieses kleine Molekül wird in zellteilungsaktivem Gewebe produziert, von wo es aktiv durch den gesamten Pflanzenkörper transportiert wird und dadurch eine Vielzahl von Entwicklungsprozessen beeinflusst. Der Transport des Wachstumsregulators über zelluläre Plasmamembrangrenzen hinweg wird durch eine pflanzenspezifische Familie von Membranproteinen kontrolliert, die die Freisetzung von Auxin aus dem Zellinneren in seine Umgebung vermittelt, von wo es von benachbarten Zellen wiederum aufgenommen wird. Diese PIN- FORMED-(PIN)-Proteine zeigen oftmals eine asymmetrische Verteilung in der Plasmamembran, begrenzt auf mehr oder weniger große Abschnitte. Weiters konnte gezeigt werden, dass diese Polarität in der PIN-Verteilung die Richtung des Auxintransportes definiert. So führt eine Anreicherung von PIN Protein an immer der gleichen Seite von benachbarten Zellen dazu, dass der Auxintransport in diesem Zellverband genau in diese eine Richtung erfolgt. Zudem ist die Lokalisierung von PIN Proteinen nicht statisch, sondern variiert im Zuge der Pflanzenentwicklung, was wiederum Anpassungen in der Pflanzenentwicklung ermöglicht. Die Mechanismen der Sortierung und Verteilung von PIN-Proteinen sind Gegenstand intensiver Forschung und sollen auch in diesem Projekt behandelt werden. Mein Labor identifizierte eine kleine Gruppe von Proteinen, sogenannte Ubiquitin-Ligasen, in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, die die reversible Bindung des kleinen Proteins Ubiquitin an Zielproteine katalysieren. Das Anhängen eines oder mehrerer Ubiquitineinheiten beeinflusst Funktion, Stabilität und intrazelluläre Verteilung von Proteinen, mit weitreichenden Auswirkungen auf unterschiedlichste zelluläre Prozesse. Im Fall der oben genannten Arabidopsis Ubiquitin-Ligasen führt deren Ausfall zu einer drastischen Änderung in der Lokalisierung eines PIN-Proteins von der oberen zur unteren Seite von Wurzelzellen. Diese Aberration wiederumbewirkt schwerwiegendeDefekte imAuxintransport undin der Wurzelentwicklung, wasdieWichtigkeit einer korrekten PIN-Positionierung für die Pflanzenentwicklung unterstreicht. In diesem Projekt sollen molekularen Mechanismen charakterisiert werden, die den Effekten dieser Ubiquitin-Ligasen auf Zellpolarität zugrunde liegen. Insbesondere sollen Zielproteine der Ubiquitin-Ligasen und deren Funktion bei der Kontrolle der PIN Verteilung identifiziert werden. In weiteren genetischen und zellbiologischen Ansätzen soll die Funktion der Ubiquitin-Ligasen in bereits etablierte Signal- und Proteinsortierungsnetzwerke integriert werden, was zu einem besseren Verständnis dieser bisher unbekannten Mechanismen der Polaritätskontrolle in höheren Pflanzen beitragen sollte.

PR-Zusammenfassung FWF 31493 Pflanzen als Primärressource aller lebenden Materie sind permanent Umweltsignalen und -reizen ausgesetzt, die die Entwicklung von Pflanzen und damit deren Vitalität nachhaltig beeinflussen. Pflanzen haben dazu eine Vielzahl von Mechanismen etabliert, die es ermöglichen, die Pflanzenentwicklung auch an extreme Bedingungen anzupassen und zu optimieren. Die adaptiven Wachstumsprozesse von Pflanzen werden oftmals durch hormonelle Signale gesteuert, wobei Auxin eines der vielseitigsten dieser Pflanzenhormone repräsentiert. Der Schlüssel zur Aktivität von Auxin in Adaptationsprozessen ist ein streng regulierter, gerichteter Transport durch den gesamten Pflanzenkörper. Die Ausrichtung des Auxintransports wird durch die asymmetrische, polare Verteilung der pflanzenspezifischen PIN-Proteine definiert, die Auxin aus dem Inneren einer Zelle in den extrazellulären Raum transportieren, von wo es von benachbarten Zellen wieder aufgenommen wird. Dieser stark polarisierte zelluläre Auxin-Export definiert dadurch Richtung und Amplitude des Hormontransports in Pflanzengeweben und ganzen Organen. Veränderungen in der Verteilung von PIN-Proteinen beeinflussen somit die Ausrichtung des Auxintransports und eine Vielzahl von Entwicklungsprozessen, die durch Auxin gesteuert werden. In diesem Projekt charakterisierten wir eine bisher unbekannte Familie pflanzlicher Proteine, welche die zelluläre Verteilung der PIN-Verteilung reguliert. Konkret führt ein Verlust der Funktionalität der sogenannten WAV3-Proteine zu einem Switch in der Polarität ausgewählter PIN-Proteine, die sich dann nicht mehr an der oberen/apikalen Seite der Zellen ansammeln, sondern stattdessen an der unteren/basalen Seite dieser Zellen zu finden sind. Als Konsequenz dieser dramatisch veränderten Polarität wird der gerichtete Auxintransport -und somit pflanzliche Adaptationsprozesse- nachhaltig gestört. Proteine vom WAV3-Typ weisen selbst eine polare Lokalisierung an der basalen Zelldomäne auf. Diese lokalisierte Verteilung wiederum scheint für die korrekte Sortierung der PIN-Proteine, die sich in der apikalen Zelldomäne ansammeln sollen, von entscheidender Bedeutung zu sein. Darüber hinaus konnten wir in diesem Projekt einige grundlegende Mechanismen identifizieren, durch die WAV3-Proteine die Sortierung von PIN-Proteinen beeinflussen. Erstaunlicherweise zeigt auch die Verteilung der WAV3-Proteine selbst eine gewisse Dynamik, die wiederum die dynamische Umverteilung von PIN-Proteinen in adaptiven Wachstumsreaktionen beeinflusst. Die Aufklärung der Mechanismen, durch die diese Dynamik in der WAV3-Proteinlokalisierung die Verteilung von PIN-Proteinen steuert, ist Gegenstand eines weiteren derzeit laufenden, vom FWF geförderten Projekts. Diese aktuellen Arbeiten sollen zu einem besseren Verständnis jener Mechanismen beitragen, mit denen Pflanzen ihr Wachstum an geänderte Umweltbedingungen anpassen.