Protein O-Glycosylierungskontrolle

Bei allen Lebensvorgängen in einer Zelle müssen Proteine genau zur richtigen Zeit am richtigen Ort aktiv sein. Viele bekannte und unbekannte molekulare Mechanismen tragen dazu bei, diese Vorgabe zu erfüllen indem sie das Schicksal von einzelnen Proteinen oder Proteinfamilien regulieren. Die meisten Proteine werden nach ihrer Entstehung modifiziert - zum Beispiel durch Anhängen von Zuckergruppen also Glykosylierung. Protein Modifikationen funktionieren manchmal wie Etiketten um zusammen mit anderen Faktoren ein Protein an einen vorgesehenen Wirkungsort zu lotsen oder sein Ablaufdatum zu festzulegen. Wenn Zuckergruppen an Sauerstoffatome eines Proteins gehängt werden spricht man von O- Glykosylierung. Obwohl in jedem höheren Lebewesen hunderte wenn nicht tausende verschiedene Proteine O-glykosyliert sind, weiß man nur wenig über die Funktion dieser Proteinmodifikation. Eine für das Pflanzenreich typische Form der O-Glykosylierung besteht in der Koppelung Zuckergruppen an die Aminosäure Hydroxyprolin. Die Funktion dieser Modifikation ist jedoch kaum erforscht. In diesem Projekt wird erstmals gezielt die mögliche Funktion der O-Glycosylierung für das Schicksal von Proteinen in der Pflanzenzelle untersucht. Erst vor kurzem wurden Enzyme entdeckt welche Zuckerreste an Hydroxyprolin anhängen und genetische Defekte in diesen Enzymen führen zu abnormalem Wurzelwachstum und unvollständiger Samenentwicklung. Identische Entwicklungsdefekte liegen bei einem Fehlen des Zellwandeiweißstoffes FASCICLIN LIKE ARABINOGALACTAN PROTEIN 4 (FLA4) vor. Jüngste Forschungen weisen darauf hin, dass FLA4 O-glykosyliert ist. Somit stellt FLA4 ein ausgezeichnetes Fallbeispiel zur Untersuchung der Funktion der O-Gycosylierung eines definierten Proteins in einem intakten Organismus dar. Tatsächlich zeigen neueste Beobachtungen, dass Defekte im O-Glycosylierungsapparat zu starker Unterdrückung des Gehaltes von FLA4 in der Pflanze und Änderung seines Aufenthaltsortes in der Zelle führen. Es könnte also die O-glycosylierung von FLA4 und anderen Proteinen entscheidenden Einfluss auf deren Lokalisierung und Stabilität und dadurch auf deren Funktion haben. Auf dieser Hypothese beruht dieses Projekt und stellt folgende Fragen. In welchen Zellorganellen wird der Grad der Protein O-Glycosylierung wahrgenommen? Wie wird das Schicksal von Proteinen durch ihre O- Glycosylierung bestimmt? Welche genetischen und biochemischen Prozesse spielen dabei eine Rolle? Antworten auf diese Fragen sollen helfen den hier postulierten "O-glycosylation checkpoint" zu definieren. Mittels genetisch markiertem FLA4 wird in diesem Projekt untersucht welche Struktur die O-gLycosylierung aufweist und wie diese von der Entwicklung abhängt. Danach wird bestimmt in welche Zellorganellen FLA4 in Abhängigkeit seiner O- Glykosylierung transportiert wird und wie es stabilisiert bzw. abgebaut wird. Dies dient einerseits zum Verständnis der Regulation von Wurzelwachstum und Samenentwicklung und andererseits als Grundlage eines für Pflanzen neuartigen Regulationsprozesses durch welchen möglicherweise auch viele andere wichtige Proteine beeinflusst werden. Einsichten in die hier untersuchten grundlegenden zellulären Vorgänge werden zu einem besseren Verständnis von Wachstum und Entwicklung von frei lebenden und von Kulturpflanzen in Zeiten des globalen Klimawandels führen.

Proteine sind ein wichtiger Bestandteil jedes lebenden Organismus. Jedes Protein muss in einer Zelle zur richtigen Zeit an der richtigen Stelle vorhanden sein. Wenn Proteine nicht mehr gebraucht werden oder beschädigt sind werden sie von der Zelle auch wieder entsorgt. Die Mechanismen wie das Schicksal einzelner Proteine reguliert wird gehören zum wichtigsten Grundverständnis von Lebensprozesse. Viele Pflanzenproteine besitzen Markierungen aus Zuckermolekülen, sogenannte Protein Glykosylierungen deren Funktion oft wenig erforscht ist. Eine Gruppe von Glykosylierungen, die zwar sehr häufig vorkommen aber noch wenig erforscht sind, befindet sich auf Arabinogalaktan Proteinen (AGPs). Unser Projekt stellt die Frage ob AGP Glykosylierungen dazu dienen könnten das Schicksal von Proteinen zu markieren, sie zum Beispiel dafür zu markieren von der Zelle ausgesandt oder auch wieder aufgenommen und entsorgt zu werden. Wir haben dabei die Glykosylierung eines bestimmten AGPs namens FLA4, welches das Wurzelwachstum und die Samenentwicklung beeinflusst, genauer untersucht. Wir konnten feststellen, dass sich an einer bestimmten Stelle von FLA4 Glycosylierungen befinden müssen um normal zu funktionieren wobei sich aber überraschenderweise verschiedene Typen der Glycosylierung eignen. Zu den zellulären Prozessen die zur Protein Entsorgung in Abhängigkeit der Glycosylierung beitragen wurden zwei Gene und eine Gruppe Protein abbauender Enzyme identifiziert. Interessanterweise sind aber viele andere Mechanismen die zur Entsorgung anderen Proteinen beteiligt sind für das Schicksal von FLA4 unwichtig. Unsere Arbeit deutet also erstmals auf einen neuen fundamentalen Mechanismus zur Proteinkontrolle bei Pflanzen hin der von AGP Glycosylierung abhängt. Einsichten in dieses Gebiet werden zum besseren Verständnis des Pflanzenwachstums beitragen.