Freiburger Forscher finden grundlegenden Mechanismus für den Transfer von Lichtsignalen

Freiburger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben einen wichtigen Schritt des durch Licht gesteuerten Wachstums von Pflanzen aufgedeckt. Weil Pflanzen nicht weglaufen können, sind sie im Verlauf der Evolution wahre Künstler bei der Anpassung an ihre Umwelt geworden.

Die Anpassung an Lichtverhältnisse ist besonders bedeutsam, da Licht die Energiequelle von Pflanzen ist. Je nach Lichtbedingung wachsen Pflanzen mit ganz unterschiedlichen Entwicklungsprogrammen. Die Information über spektrale Zusammensetzung, Menge und Lichtrichtung wird über eine Vielzahl von Proteinen wahrgenommen, die im Zytoplasma, außerhalb des Zellkerns, synthetisiert werden. Diese Photorezeptoren absorbieren vom UV-Licht bis hin zum Infrarot, wobei Phytochrome für die Wahrnehmung von rotem Licht verantwortlich sind.

Während der vergangenen Jahre wurden unterschiedliche Phytochromtypen in vielen Bakterien, Pilzen und grünen Pflanzen identifiziert. Die Photorezeptoren wirken fast ausschließlich im Zellkern bei der Steuerung der Genexpression. Auf welche Weise die im Licht stabilen Phytochrome des B-Typs in den Zellkern gelangen, war bisher ungeklärt.

Mit Hilfe eines neuen, in Freiburg entwickelten Untersuchungssystems aus sehr großen, isolierten Zellkernen der Schirmchenalge (Acetabularia) konnten nun Faktoren identifiziert werden, die am Kerntransport von Phytochrom B beteiligt sind. Interessanterweise konnte durch Zugabe eines die Genexpression regulierenden Proteins, des Transkriptionsfaktor PIF3 (Phytochrome interacting factor 3), der Kerntransport von Phytochrom B vermittelt werden. Die Wissenschaftler wiesen nach, dass für diese Transporthelferfunktion nur die Phytochrom B-Bindung und ein Kernlokalisationssignal in PIF3 notwendig sind. Die Beteiligung von mehreren dieser PIF-Transkriptionsfaktoren am Import in den Zellkern konnte durch Studien an einer PIF-Mutante nachgewiesen werden. In diesen Pflanzen zeigten die Forscher, dass der lichtabhängige Kerntransport von Phytochrom B zunächst vollständig geblockt ist und der Keimling nicht auf Licht reagiert. Erst nach längeren Bestrahlungszeiten konnten der Kerntransport und die Funktion des Photorezeptors wieder nachgewiesen werden.

Weitere Experimente mit Keimlingen und isolierten Zellkernen aus Acetabularia weisen darauf hin, dass Transkriptionsfaktoren auch am Import eines anderen Photorezeptors, dem Phytochrom A, beteiligt sind. Diese Arbeit weist somit auf ein neues, generelles Regulationsprinzip hin, bei dem Transkriptionsfaktoren nicht nur die Signaltransduktion von Phytochromen, sondern auch den Kerntransport steuern. Da der Transport in den Zellkern bei Tieren und Pflanzen sehr eng verwandt ist, könnten ähnliche Mechanismen auch im Tierreich vorkommen.

Veröffentlichung:
Pfeiffer et al.: Interaction with plant transcription factors can mediate nuclear import of Phytochrome. Aktuelle Online-Ausgabe der “Proceedings of the National Academy of Science” 2012.
Kontakt:
Prof. Dr. Eberhard Schäfer
Institut für Biologie II
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Tel.: 0761/203-2683
E-Mail: Eberhard.Schaefer@biologie.uni-freiburg.de