O-GlcNAc und O-Fucose spezifische Lektine

Die meisten Proteine in einer Zelle können auf verschiedenste Arten modifiziert werden, zum Beispiel als Antwort auf Umwelteinflüsse oder Stress. Abhängig von der Art der Modifizierung wird dabei auf unterschiedliche Weise die Funktion der Proteine verändert, bis hin zur Inaktivierung. Eine dieser Modifizeriungen ist O-Glykosilierung, bei der bestimmte Zuckermoleküle an spezifische Aminosäuren der Proteine angehängt werden. In Pflanzen sind vor allem O-GlcNAcylierung und O-Fucosilierung wichtige Arten von O-Glykosilierung. Diese Art der Glykosilierung wird von nur zwei spezifischen Glykosyltransferasen vorgenommen, die so eine Vielzahl verschiedenster Proteine modifizieren. Da dieser Vorgang in vielen verschiedenen Prozessen geschieht, braucht die Pflanzenzelle eine Möglichkeit zu differenzieren. Wie das geschieht ist derzeit noch unklar, aber eine Möglichkeit dafür wäre die Interaktion von glykosilierten Proteinen mit Lektinen. Lektine sind Proteine, die bestimmte Zucker an anderen Proteinen erkennen und binden, ohne sie weiter zu verändern. Durch diese Bindung kann die Funktion der glykosilierten Proteine dann wiederum weiter gesteuert werden, indem sich dadurch zum Beispiel ihre Lokalisation innerhalb der Zelle ändert, oder Interaktionen mit anderen Proteinen erleichtert oder verhindert werden. Da es in Pflanzen eine Vielzahl an Lektinen gibt, könnte so eine zusätzliche Ebene zur spezifischen Regulation der O-Glykosilierung ermöglichen, auf verschiedene Reize geeignet zu reagieren. Während unserer Arbeit an O-Glykosilierung in Pflanzen haben wir eine kleine Gruppe solcher Lektine identifiziert, die wahrscheinlich spezifisch O-GlcNAcylierung und/oder O-Fucosilierung erkennen. Im hier vorgestellten Projekt geht es nun darum, einerseits diese Lektine zu charakterisieren und zu testen, welche Zucker sie gut binden, oder mit welchen Glykosyltransferasen sie zusammen arbeiten. Andererseits soll ihre biologische Rolle erforscht werden, um herauszufinden, ob sie zum Beipiel eine Rolle in der Entwicklung spielen, oder in Antwort auf bestimmte Umweltbedingungen. Ein zweiter Teil dieses Projekts widmet sich der Identifizierung neuer Lektine, die spezifisch O- Glykosilierung erkennen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen uns Aufschluss über die Rolle bestimmter Lektine in Zusammenhang mit O-Glykosilierung geben. Ein wichtiger Aspekt ist dabei auch, dass solche Lektine zu Werkzeugen weiterentwickelt werden könnten, um O-Glykosilierung in Pflanzen und auch anderen Organismen besser erforschen zu können. Bisher sind die Methoden dafür leider beschränkt, und Entwicklung neuer technischer Möglichkeiten wäre ein großer Fortschritt in diesem Feld. Spezifische Lektine könnten die Grundlage für solche neue Methoden darstellen.

Die meisten Proteine in einer Zelle können auf viele verschiedene Arten verändert werden, zum Beispiel in Reaktion auf veränderte Umweltbedingungen oder Stress. Je nach ihrer Art können diese Veränderungen die Funktion oder Stabilität der Proteine auf unterschiedliche Weise bestimmen. Eine dieser Modifikationen ist die O-Glykosylierung, bei der einzelne Zuckerreste an bestimmte Aminosäuren von Proteinen angehängt werden. Bei Pflanzen spielen in diesem Zusammenhang die O-GlcNAcylierung und die O-Fucosylierung (das Anhängen von entweder N-Acetylglucosamin oder Fucose) eine wichtige Rolle. Diese Art der Glykosylierung wird von nur zwei spezifischen O-Glykosyltransferasen durchgeführt, die auf diese Weise eine Vielzahl von Proteinen modifizieren. Diese Modifikation spielt bei einer Reihe sehr unterschiedlicher Prozesse eine wichtige Rolle, weshalb Pflanzenzellen eine Möglichkeit zur Differenzierung benötigen, um entsprechend spezifisch reagieren zu können. Wie dies erreicht wird, ist derzeit nicht klar, aber möglicherweise trägt eine Interaktion zwischen O-glykosylierten Proteinen und Lektinen zur Spezifität in diesem Zusammenhang bei. Lektine sind Proteine, die glykosylierte Proteine erkennen und binden, ohne sie weiter zu modifizieren. Diese Interaktion kann dann die Funktion der glykosylierten Proteine weiter regulieren, indem sie zum Beispiel ihre Lokalisierung innerhalb der Zelle beeinflusst, oder sie kann ihre Interaktion mit anderen Proteinen erleichtern oder verhindern. Da Pflanzen viele verschiedene Lektine in sich tragen, könnten sie eine zusätzliche Ebene der Regulation bilden und so auf die O-Glykosylierung spezifisch antworten, was zu einer angemessenen Reaktion auf bestimmte Reize führt, oder die Entwicklung auf flexible Weise reguliert. Während unserer Arbeiten zur O-Glykosylierung in Pflanzen haben wir eine kleine Gruppe solcher Lektine identifiziert, die entweder spezifisch O-GlcNAcylierung, O-Fucosylierung oder beides erkennen können. Im Rahmen dieses Projekts haben wir eine kleine Gruppe von diesen Jacalin-like Lectins (JALs) charakterisiert und konnten nachweisen, dass sie während der Samenkeimung und der Reaktion auf Trockenheit aktiv sind. Auf zellulärer Ebene konnten wir bestätigen, dass sie im Zytoplasma und im Zellkern zu finden sind, was bedeutet, dass sie tatsächlich in denselben Kompartimenten aktiv sind wie O-GlcNAc- und O-Fucose-modifizierte Proteine - im Gegensatz zu anderen gängigen Arten der Proteinglykosylierung. Wir wollten auch untersuchen, welche Kohlenhydrate von JALs erkannt werden, und fanden heraus, dass sie an eine große Anzahl von Proteinen sowie an mehrere spezifische Glykanstrukturen binden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass JALs an verschiedene Kohlenhydratstrukturen binden und dass sie möglicherweise mehrere unterschiedliche Funktionen in verschiedenen Teilen der Zelle erfüllen. Weitere Studien sind notwendig, um die von JALs gebundenen glykosylierten Proteine zu identifizieren, um ihre Rolle während der Samenkeimung und der Reaktion auf Trockenheit besser zu verstehen.