Pflanzenmolekularbiologie: Regulierung durch Proteinabbau in der Pflanzenzelle

Proteine, die bei der Entwicklung eines Organismus eine Rolle spielen, müssen zum richtigen Zeitpunkt jeweils aktiviert und dann auch wieder inaktiviert werden.

Der gezielte Abbau dieser Proteine über spezialisierte und hochselektive Systeme stellt einen wichtigen Mechanismus zur Inaktivierung dieser Proteine dar, den der Molekularbiologe Prof. Dr. Claus Schwechheimer erforscht.

Erforschung von Zellapparaten, die auch das Wachstum bei Tier und Mensch kontrollieren

Wenn eine Pflanze wächst und sich entwickelt, müssen sich ihre Zellen teilen und in verschiedene Gewebetypen differenzieren. Damit diese Prozesse kontrolliert ablaufen können, müssen regulatorische Proteine zum richtigen Zeitpunkt gebildet und auch gezielt wieder inaktiviert werden. Die effizienteste Inaktivierung erfolgt über den gezielten und kontrollierten Proteinabbau. „Signalproteine müssen nach einer gewissen Zeit wieder entfernt werden, sonst würden die Zellen immer die gleiche Dauermeldung erhalten, und koordiniertes Wachstum wäre nicht möglich“, sagt Prof. Claus Schwechheimer vom Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen der Universität Tübingen.

Claus Schwechheimer, der in Kürze einen Lehrstuhl an der Technischen Universität München übernehmen wird, erforscht die komplizierten Proteinapparate, die den Abbau anderer Proteine regeln, anhand der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), einem Modellorganismus der Pflanzengenetiker. Da viele der dafür relevanten Proteinkomplexe zuerst in pflanzlichen Zellen entdeckt und beschrieben wurden, aber bei allen höheren Organismen von der Hefe bis zum Wurm und Menschen vorkommen, sind die Ergebnisse seiner Arbeitsgruppe auch auf die Funktionsweise der Zellen anderer Organismen übertragbar.

Umgekehrt können gut untersuchte Prozesse aus nicht-pflanzlichen Organismen seine Arbeiten an den Pflanzenproteinen befruchten. Unter anderem interessiert sich Schwechheimers Arbeitsgruppe für die Rolle des gezielten Proteinabbaus während der Zellteilung. Claus Schwechheimer will mit Hilfe seiner Forschungen Einblick in ganz grundlegende Vorgänge in den Zellen erhalten.

Auf die Prozesse des gezielten Proteinabbaus wurden die Forscher durch eine kuriose Mutante der Ackerschmalwand aufmerksam, einer Pflanze mit einer zufälligen Genveränderung: Die Keimlinge dieser Mutante, bei der ein Proteinkomplex, das sogenannte COP9-Signalosom, nicht funktioniert, zeigen im Dunkeln das Wachstum einer im Licht gewachsenen Pflanze. „Interessanterweise ist der Proteinkomplex zuerst bei Pflanzen entdeckt und charakterisiert worden. Sehr viel häufiger werden grundlegende zelluläre Vorgänge eher beim Menschen entdeckt, zum Beispiel im Zusammenhang mit der Erforschung von Krankheiten“, sagt Schwechheimer. Mit Hilfe des COP9-Signalosoms, so wurde unter anderem durch die Arbeiten von Schwechheimer und seiner Forschergruppe gezeigt, werden sogenannte E3-Ligasen aktiviert, die wiederum für den spezifischen Proteinabbau notwendig sind. Dieser Schritt war offenbar in der Mutante des COP9-Signalosoms unterblieben. „Von diesen E3-Ligasen gibt es fast tausend verschiedene in der Pflanzenzelle. Sie werden benötigt, um jeweils spezielle Proteine abzubauen“, sagt Schwechheimer. Ungefähr fünf Prozent des pflanzlichen Erbguts enthalten nur Baupläne für diese Ligasen. „Dahinter lässt sich eine große regulatorische Kraft vermuten, allerdings wissen wir momentan nur von wenigen dieser E3-Ligasen, welche Proteine sie abbauen.“

Die E3-Ligasen sind schwer zu untersuchen. Zum einen kann der Ausfall einer E3-Ligase oft durch eine andere kompensiert werden, sodass der Verlust zu keiner Veränderung beim Wachstum führt. Zum anderen kann nur die Kenntnis über das von der E3-Ligase abzubauende Protein Aufschluss über ihre Funktion geben, und diese Proteine kann man nur schwer bestimmen. Für die Erforschung der E3-Ligasen ist zum einen von großer Bedeutung, dass das Erbgut der Ackerschmalwand seit dem Jahr 2000 vollständig entziffert und bekannt ist. Ähneln sich die Gensequenzen verschiedener E3-Ligasen im Erbgut, lässt sich früh erkennen, welche davon vergleichbare Funktionen haben und sich gegenseitig ersetzen könnten. Zum anderen ist für die Erforschung der E3-Ligasen wichtig, dass es speziell bei der Ackerschmalwand eine große Mutantensammlung gibt. Gezielt können Mutanten, bei denen eine einzelne E3-Ligase ausgefallen ist, identifiziert und mit anderen solcher Mutanten kombiniert werden. Bis zur Veröffentlichung des vollständig entzifferten Erbguts der Ackerschmalwand habe man nur einzelne Proteine klonieren und mühsam aus den Genen rekonstruieren können, berichtet der Entwicklungsbiologe Claus Schwechheimer: „Das ging nur sehr langsam voran. Mit der Genomsequenz und der Mutantensammlung kann man deutlich schneller arbeiten, die Methode heißt reverse Genetik. Diese Vorgehensweise ist bei Hefe und Arabidopsis möglich, nicht aber bei Mäusen und Menschen.“

Die Signale, die die E3-Ligasen mit dem Proteinkomplex aktivieren, sind bei Pflanzen zum Beispiel Licht, aber auch Wachstumshormone. „Bei vielen pflanzlichen Signalwegen liegen zwischen der Erkennung des Signals und dem Abbau des Proteins erstaunlich wenige Zwischenschritte“, sagt Claus Schwechheimer. Auxin, ein wichtiges Pflanzenhormon, funktioniere „wie Klebstoff“: Auf der einen Seite wird die E3-Ligase gebunden, auf der anderen das Protein, das abgebaut werden soll. Im Gegensatz zu den proteinabbauenden Komplexen, die sich in höher organisierten Pflanzen- und Tierzellen in ähnlicher Form finden, gibt es zu den Pflanzenhormonen keine Äquivalente bei Tieren, sie sind für Pflanzen spezifisch.

Bei allen Organismen hoch konserviert hingegen sind die E3-Ligase-abhängigen Prozesse, die bei der Zellteilung mitwirken. Bei der Teilung einer Zelle erhält jede der beiden neuen Zellen einen Strang der ursprünglich doppelsträngigen DNA. Ein wichtiger Kontrollmechanismus besteht zum Beispiel darin, dass die Zelle nach der erneuten Verdoppelung der DNA prüft, ob die Ausgangs-DNA korrekt reproduziert wurde. Ist das nicht der Fall, werden Reparaturmechanismen aktiviert. „Wir konnten jetzt anhand unserer Untersuchungen der Arabidopsis-Mutanten des COP9-Signalosoms zeigen, dass diese Mutanten defekte DNA-Stränge haben, und dies könnte der Grund für das schlechte Wachstum der Mutanten sein. Man muss annehmen, dass der Ausfall desselben Proteinkomplexes beim Menschen auch zu einem Wachstumsstopp aufgrund von DNA-Schäden führt“, sagt Claus Schwechheimer. Die falsche Reparatur solcher DNA-Schäden, zumal wenn sie gleichzeitig in großer Zahl auftreten oder wenn gleich beide Stränge der DNA brechen, kann zum einen zum Zelltod, zum anderen aber auch zur unkontrollierten Zellteilung führen. Aus der Zusammenarbeit mit seinen Kollegen aus der medizinischen Forschung erhofft sich Claus Schwechheimer jetzt, dass er die Ursache für diese DNA-Schäden, die in einem nicht korrekt abgebauten Protein zu suchen sind, aufdecken kann. (6457 Zeichen)

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Prof. Dr. Claus Schwechheimer
Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen (ZMBP)
Entwicklungsgenetik
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