ATG8-Spezialisierung der selektiven Autophagie in Pflanzen

Phänotypische Plastizität ist die Fähigkeit eines Organismus, sich an veränderte Umweltbedingungen anzupassen. Sie bewirkt, dass geregelte Abläufe in der Zelle, wie z.B. Metabolismus und endomembraner Transport, als Reaktion auf spezifische Umweltsignale verändert werden. Diese innerhalb der Zelle stattfindenden Anpassungen bewirken Wachstums- und Strukturunterschiede, wodurch Pflanzen verschiedene ökologische Nischen besser nutzen können. Phänotypische Plastizität ist der wichtigste Anpassungsmechanismus der Pflanzen, um mit unvorhergesehenen Veränderungen ihrer Umwelt zurechtzukommen. Die Erforschung der molekularen Grundlagen aller homöostatischen Prozesse der phänotypischen Plastizität ist also ausschlaggebend für die Entwicklung neuer Pflanzensorten, die auch unter schwierigen Umweltbedingungen gute Ernten ermöglichen. Autophagie dient der rechtzeitigen Entsorgung unerwünschter oder überzähliger Makromoleküle, bevor sie in der Zelle Schaden anrichten. Mit Hilfe beteiligter Membrantransport- und Recyclingprozesse stellt die Autophagiedamit einenwirksamen zellulären Qualitätskontrollmechanismus dar. Im Gegensatz zum Ubiquitin/Proteasom-System, das die zu entsorgenden Proteine kennzeichnet, auseinandergefaltet und im Proteasom einzeln abbaut, werden die autophagisch zu entsorgenden Komponenten sofort vom übrigen Cytoplasma abgesondert. Daher ermöglicht die Autophagie sehr schnelle und umfassende dynamische Anpassungen der Zelle an die aktuellen Umweltbedingungen. Autophagie wurde bisher als ein durch Aushungern eingeleiteter Massen-Abbauprozess betrachtet, und die wichtigsten ATG-(autophagy-related) Prozesse sind funktionell beschrieben. Neuere Daten legen jedoch nahe, dass Autophagie durchaus selektiv eingesetzt wird. In welchem Umfang diese Differenzierung und Spezialisierung der Autophagie an der Anpassung der Pflanzen beteiligt ist, ist ein offenes Forschungsfeld. Eine Hauptkomponente der selektiven Autophagie ist das ubiquitin-ähnliche Protein ATG8. Die ATG8 Genfamilie ist bei Pflanzen im Vergleich zu anderen Organismen stark erweitert. Funktionelle Spezialisierungen in der ATG8 Genfamilie, die zur selektiven Autophagie beitragen könnten, wurden bisher nicht untersucht. In unserem Projekt stellen wir die Hypothese auf, dass ganz bestimmte strukturelle Elemente der ATG8 Varianten deren Spezifität bedingen und diese ATG8 Spezialisierung zur selektiven Autophagie beiträgt. Wir erwarten, dass unser multidisziplinäres Forschungsprojekt umfassende neue Erkenntnisse über die biophysikalischen Eigenschaften der ATG8 Proteine und ihrer Spezialisierung liefert, das Wissen über die Mechanismen der selektiven Autophagie in Pflanzen erweitert und den Beitrag der selektiven Autophagie zur phänotypischen Plastizität der Pflanzen erhellt.

Die Autophagie ist ein zelleigenes Recyclingsystem, das beschädigte oder unerwünschte Teile der Zelle zu den lytischen Kompartimenten transportiert, um die Zelle umzubauen und zu renovieren. Dies hilft eukaryontischen Organismen, auf sich ändernde Umweltbedingungen und intrinsische Anforderungen zu reagieren. Defekte in der Autophagie wurden mit mehreren Krankheiten in Verbindung gebracht, darunter Krebs, Neurodegeneration, Alterung beim Menschen und Stressempfindlichkeit sowie eine verkürzte Lebensdauer bei Pflanzen. Trotz der jüngsten Fortschritte bei Säugetierzellen sind die molekularen Details des pflanzlichen Autophagie-Stoffwechsels noch unvollständig. In diesem Projekt haben wir untersucht, wie Autophagie-Prozesse innerhalb der Zelle kompartimentiert werden. Wir haben gezeigt, dass kleine Proteine namens ATG8 mehrere Autophagie-Reaktionen gleichzeitig in der Zelle ermöglichen. Unter Verwendung von ATG8 als Köder identifizierten und charakterisierten wir dann ein Adaptorprotein, das den Autophagieweg mit dem anderen wichtigen vakuolären Transportweg, den multivesikulären Körpern, verbindet. Dies deutet darauf hin, dass die vakuolären Frachten an Knotenpunkten sortiert werden, um die verschiedenen Transportwege zu koordinieren. Darüber hinaus haben wir, wiederum unter Verwendung von ATG8-Proteinen als Köder, molekulare Akteure identifiziert, die den Abbau von beschädigten Mitochondrien oder des endoplasmatischen Retikulums vermitteln. Diese molekularen Akteure führten uns zur Charakterisierung neuer Qualitätskontrollmechanismen, die die Aufrechterhaltung eines gesunden Organellengehalts in Pflanzenzellen gewährleisten. Insgesamt führte der Vorschlag zur Entdeckung von drei spannenden Qualitätskontrollsystemen, die für die Stresstoleranz in Pflanzen wesentlich sind. Künftige Studien werden zeigen, wie diese Qualitätskontrollwege zur Leistungsfähigkeit von Pflanzen unter sich ändernden Klimabedingungen beitragen.