Interaktom-Landkarte für Pflanzen-Rezeptorkinasen

Multizellulare Organismen haben auf der Zelloberfläche komplizierte Signalsysteme entwickelt, um eigene und fremde Signale im extrazellulären Raum zu erkennen und darauf richtig reagieren zu können. Die Rezeptor Protein Kinasen (RKs), eine der größten Untergruppe transmembraner Rezeptorkinasen in vielzelligen Tieren und Pflanzen wurden in der Evolution immer wieder als Kontrolle wesentlicher Prozesse innerhalb der Zellen verwendet, so etwa von Wachstum oder Schädlingsbekämpfung. Die Genome der metazoischen Modellspecies Mensch, Maus, Huhn, Frosch, Ratte, Fruchtfliege und Nematoden enthalten zusammen den Code für etwa nur 160 RKs. Hingegen enthält nur das kleine Genom des Modell-Organismus Arabidopsis thaliana allein den Code für 400 RKs. Pflanzen als sesshafte Organismen haben ein mehrschichtiges Beobachtungssystem entwickelt, um die zwei wichtigen Vorgänge Wachstum und Pathogenbekämpfung bedarfsangepasst an wechselnde Umweltbedingungen zu regeln Daher sind Pflanzen ausgezeichnete Modellorganismen zur Erforschung der RKs-Signalisierung. Es sind bis jetzt jedoch nur ganz wenige Rezeptoren in Arabidopsis identifiziert und beschrieben wurden. RKs zeigen eine typische dreiteilige Struktur eine extrazellulare Domäne (ECD), eine transmembrane Domäne und meist auch eine funktionelle Kinase-Domäne in der Zelle. Die ECDs der Rezeptoren auf der Zelloberfläche, dienen als Interaktionsplattform, aber auch als Steuermodule für die Rezeptorenaktivierung. Die ECD Interaktionen bestimmen die Art der Reaktion und die Struktur der ausgelösten Ursache-Wirkungsketten. Die Vorgänge in den ECDs, die in kombinatorischen Modulen ablaufen, und signalwirksame Rezeptorkomplexe erzeugen, sind noch nicht ganz erforscht. Obwohl wir große Datenmengen von Protein-Interaktomen gesammelt haben, sind extrazelluläre Proteine in diesen Datensets sehr unterrepräsentiert. Der Grund dafür sind technische Herausforderungen. Die bisher üblichen systembiologischenund proteomischen Vorangangsweisen waren aufgrund der Instabilität der RK Interaktionen nicht so geeignet, diese Frage zu lösen. Wenn wir verstehen wollen, wie immun- und entwicklungsspezifische Signale an der Zelloberfläche generiert werden, müssen wir erforschen, wie die verschiedenen RK-Gruppen in den dynamischen Abläufen auf der Zelloberfläche integriert sind. Um das zu erforschen, werden im Projekt mehr als 150.000 mutmaßliche Interaktionen zwischen Vertretern unterschiedlicher RK-Gruppen mit sensitized high-throughput binding Technology (CSIRK) getestet. Dieser neue Ansatz ermöglicht es auch, nach Interaktionen zwischen ECDs mit einer sehr niedrigen Affinität zu suchen, was einen großen Vorteil gegenüber anderen Methoden darstellt.. Wir werden unseren neuen Ansatz im nächsten Schritt durch weiterführende Netzwerkstudien verbessert. und Algorithmen zur Identifizierung von Interaktionen einbauen, die uns helfen, selbstorganisierende Eigenschaften von RK-Subnetzwerken zu finden. Unsere Daten werden in die Arabidopsis BAR Plattform einfließen. Durch die Ergebnisse unseres Projektes können bisher nicht identifizierte Regulatoren von stereotypischen LRR-RKs zur Steuerung von Immunantwort und Wachstum bei Pflanzen eine eindeutige biologische Funktion zugewiesen werden. Die Arbeit repräsentiert daher einen wichtigen Schritt zur systematischen Erforschung und zum umfassenden Verständnis der Signalsysteme auf der Zelloberfläche.

Darstellung der Rezeptorkinasen-Signalwege auf der Zelloberfläche Mehrzellige Organismen, darunter auch Pflanzen, sind ständig wechselnden Umgebungen ausgesetzt. Sie verwenden auf der Zelloberfläche Rezeptorkinasen (RKs), um externe Signale aufzuspüren und darauf zu reagieren. Diese Rezeptorkinasen (RKs) sind hochentwickelte Umweltsensoren, die wichtige zelluläre Prozesse - darunter Wachstum und Immunität - steuern. Pflanzen sind sessile Organismen, ständig von Krankheitserregern bedroht und den sich verändernden Umwelteinflüssen ausgesetzt. Sie sind daher ausgezeichnete Modelle, um die Vorgänge der RK-Signalisierung zu untersuchen. In den letzten zwanzig Jahren konnten trotz intensiver Forschung nur sehr wenige Signalwege zur Steuerung von Wachstum und Immunität aufgeklärt werden. Das Hauptziel meines Projekts ist die Erforschung, wie diese Sensor- und Signalwege in der Pflanze integriert sind. Mit Hilfe einer Netzwerkkarte, die die Interaktionen zwischen verschiedenen RKs detailliert darstellt, habe ich zwei Kandidaten, APEX1 und APEX2, als Hauptregulatoren verschiedener Signalwege ausgewählt. Um ihre Funktion zu verstehen, untersuchte ich ihre interagierenden Partner. Es zeigte sich, dass APEX1 und 2 direkt wachstumsbezogene Prozesse wie Wurzel- und Hypokotyl -Wachstum modulieren. Da Pflanzenwachstum und Immunreaktion nur abwechselnd erfolgen kann, beobachtete ich auch, dass APEX1 und 2 negative Regulatoren der Pflanzenabwehr sind. Insgesamt deuten die von mir durchgeführten Analysen darauf hin, dass APEX1 und 2 wichtige Regulatoren für die Abstimmung zwischen Wachstum und Pathogenbekämpfung sind. Die Netzwerkkarte, die ich zur Auswahl von APEX 1 und 2 verwendete, zeigte uns die Aufgaben von 225 RKs in zahlreichen biologischen Prozessen. Jedoch blieb die Funktionen der vielen übrigen RKs und deren Organisation auf Systemebene unbekannt. Ich beschloss daher, meine Forschungsarbeit mithilfe eines Hochdurchsatz-Screens auf die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen den 600 verbleibenden RKs und RK-ähnlichen Proteinen auszuweiten. Nach der Klassifizierung dieser 600 Rezeptoren optimierte ich die Expression für jede Protein-Art, um mit diesem Material den geplanten Screen durchführen zu können. Die dabei gefundenen Daten werden in weiterführenden Netzwerkstudien neue Erkenntnisse über die RK-Subnetzwerke liefern. Wir werden unsere Ergebnisse der Öffentlichkeit zugänglich machen, sie dienen der internationalen Forschungsgemeinschaft als wichtige Ressource. Aufgrund der großen Bedeutung der RKs in zahlreichen physiologischen Prozessen und des geringen Wissensstand über die Wahrnehmungs- und Signalmechanismen gehe ich davon aus, dass die Ergebnisse unseres Projekts neue Strategien zur Stärkung der Immunität von Pflanzen gegen Krankheiten ermöglichen und zur Verbesserung des Pflanzenwachstums beitragen werden.