Funktionelle Analyse der TOM1 like (TOL) Protein Familie

Der ESCRT (Endosomal Sorting Complex Required for Transport) ist für das Erkennen und Sortieren von Plasmamembran Proteinen, die zum Abbau bestimmt sind, verantwortlich. Diese Maschinerie wurde ursprünglich in Tieren und Pilzen beschrieben, scheint aber zum Grossteil auch in Pflanzen konserviert zu sein. In vielen Fällen werden Membranproteine ubiquitiniert, eine post-translationelle Modifikation die der effizienten Erkennung durch einen Teil der ESCRT-Maschinerie - dem ESCRT-0 Komplex - dient. Erstaunlicherweise konnten in den bereits sequenzierten Genomen von Pflanzen keine Untereinheiten des ESCRT-0 Komplexes identifiziert werden. Es stellt sich also die Frage, wie die Erkennung von ubiquitinierten Membranproteinen in Pflanzen bewerkstelligt wird. Eine mögliche Funktion in diesem Prozess wurde den Arabidopsis thaliana TOM1- LIKE (TOL) Proteinen zugeschrieben. TOL Proteine besitzen eine Reihe von funktionell relevanten Domänen die auch in ESCRT-0 Proteinen zu finden sind, und könnten somit die ESCRT-0 Funktion übernehmen. Diese Hypothese soll in diesem Projekt überprüft werden. Mit einer Kombination von zellbiologischen und genetischen Ansätzen soll die biologische Rolle von TOL Proteinen in der Kontrolle der Membranproteinlokalisierung und Degradation untersucht werden. Dies soll unter anderem durch Zuhilfenahme einer Reihe von potentiellen TOL/ESCRT Substraten untersucht werden. In einer ergänzenden biochemische Analysis soll die Funktion von TOL Proteinen oder TOL Domänen in der Interaktion mit anderen Komponenten der Endozytose Maschinerie untersucht werden. Außerdem sollen in einem systematischen screen, neue, bisher unbekannte TOL Interaktionspartner identifiziert werden. Dieses Projekt sollte zu neuen Einblicken in die Mechanismen der Membranproteinkontrolle in höheren Pflanzen führen. Aufgrund der zentralen Bedeutung von Membranproteinen in der Kommunikation zwischen der Pflanze und Ihrer Umgebung sollte dieses Projekt somit auch essentiell zu unserem Verständnis der Anpassungsfähigkeit von Pflanzen beitragen.

Dieses Projekt hat die Funktion einer neuen Proteinfamilie, den TOL Proteinen, an der Schnittstelle zwischen Endozytose und Degradation untersucht. Es hat somit grundlegende Mechanismen des intrazellulären Transportes von Zellbestandteilen in Pflanzen aufgeklärt, welche wesentlich für die Adaptierung des Pflanzenwachstums an variable Umweltbedingungen sind. Pflanzen müssen, wegen ihrem festsitzendem Lebensstil, besonders sensitiv und spezifisch auf veränderte Umweltbedingungen reagieren um sich ihnen optimal anpassen zu können. Da die Plasmamembran als Schnittstelle zwischen innen und außen dient, ist die korrekte Anordnung und Aktivität von Proteinen an der Plasmamembran essentiell für solche Anpassungsprozesse. Vesikulärer Transport von Zellbestandteilen von und zu der Plasmamembran ist daher von zentraler Bedeutung für die Funktionalität der Membran und wird deshalb streng reguliert. Proteine, welche von der Plasmamembran entfernt, also endozytiert, werden, zyklieren zwischen Plasmamembran-Domänen und Endosomen oder werden zum endgültigen Abbau zur Vakuole transportiert, was durch Ubiquitinierung vermittelt wird. Die Erkennung und der Transport dieser ubiquitinierten Proteine in Richtung Vakuole erfolgt mittels der konservierten ESCRT (Endosomal Sorting Complex Required for Transport) Maschinerie. Die ESCRT-0 Einheit ist verantwortlich für die Ersterkennung und die Konzentration ubiquitinierter Proteine und dient somit als zentrale Drehscheibe im Abbau von Plasmamembran-Proteinen. Allerdings gibt es in Pflanzen keine klaren Orthologe zu den ESCRT-0-Untereinheiten von Tieren und Pilzen. Dies warf die Fragen auf, welche Proteine diese Determinanten in der ansonsten hochkonservierten Protein-Sortiermaschinerie ersetzen können. In diesem Projekt konnten wir zeigen, dass in der Modellpflanze Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) TOL Proteine diese Funktion in Bezug auf Erkennung und Sortierung von ubiquitinierten Plasmamembran-Proteinen übernehmen. In Abwesenheit der TOLs werden diese Proteine nicht mehr erkannt und somit auch nicht zur Vakuole gebracht. Die daraus resultierenden Fehlfunktionen führen zu massiven Veränderungen in der Entwicklung der Pflanze und damit gekoppelten Adaptationsprozessen. Unsere Experimente identifizieren TOL Proteine als eine Art Torwächter an der Plasmamembran. Darüber hinaus liefern unsere Ergebnisse wichtige Einblicke in die Evolution der eukaryotischen Protein-Sortiermaschinerie und unterstützen ein Modell, in denen TOL Proteine als ursprüngliche Erkennungs-Determinanten fungieren. So könnte ein Leben ohne ESCRT-0 mit TOLs erklärt werden, die ausreichen um die vielfältigen Wachstumsreaktionen zu koordinieren, welche die Entwicklung höherer Pflanzen kennzeichnen.