Zellbiologie – Raum und Regulation

Eukaryotische Zellen, und vor allem Pflanzenzellen, enthalten viele voneinander abgegrenzte Reaktionsräume. Dazu gehören die Zellorganellen, die von Membranen umschlossen sind, aber auch das Zytoplasma. In all diesen unterschiedlichen Kompartimenten laufen zahlreiche Stoffwechselprozesse ab.

Wie diese aber reguliert und koordiniert werden, ist nur schlecht verstanden. Einem Team um den LMU-Biologen Thomas Nägele, Professor für evolutionäre Zellbiologie der Pflanzen, ist es nun in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana erstmals gelungen, für eine Vielzahl an Proteinen und Stoffwechselprodukten gleichzeitig zu bestimmen, wie sie sich auf bestimmte Kompartimente verteilen, um damit deren metabolische Dynamik aufzuklären.

Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin The Plant Journal.

„Über den Effekt von Umwelteinflüssen auf den pflanzlichen Stoffwechsel können oft nur vage Aussagen gemacht werden, weil pflanzliche Zellen nicht differenziert genug betrachtet werden können“, sagt Nägele.

„Wenn beispielsweise Stoffwechselprodukte durch Umweltstress akkumulieren, bleibt unbekannt, wo genau in der Zelle diese Akkumulation stattfindet: in dem mit Zellsaft gefüllten Speicher, der Vakuole, oder im Mitochondrium, dem Kraftwerk der Zelle, im stoffwechselaktiven Zytosol, oder an einem anderen Ort.“

Nägeles Team hat nun eine bewährte Methode – die sogenannte nicht-wässrige Fraktionierung – so verfeinert und mit Hochdurchsatzanalysen kombiniert, dass sie Zellen quasi in ihre Einzelteile zerlegen und das Inventar ihrer Kompartimente untersuchen konnten.

Auf diese Weise haben die Wissenschaftler nachgewiesen, dass die Mutation eines Enzyms im Zytosol einen deutlichen Einfluss auf die Vorgänge in Chloroplasten und Mitochondrien haben kann: Das Enzym Hexokinase im Zytosol ist am Umsatz von Kohlenhydraten beteiligt, um Substrate für zahlreiche Stoffwechselwege und die Atmung bereitzustellen.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Glukose im Zytosol akkumuliert, wenn das Enzym gehemmt wird – und dass gleichzeitig sowohl die vakuoläre Glukosekonzentration als auch die mitochondrielle Konzentration der Aminosäuren Glycin und Serin signifikant reduziert werden“, sagt Nägele.

Diese Aminosäuren sind zentrale Zwischenprodukte der sogenannten Photorespiration, eines wichtigen Stoffwechselwegs, der während der Photosynthese auftreten kann und auch unter Umweltstress eine zentrale Rolle spielt. Die Mutation von Hexokinase vermindert daher vermutlich die photorespiratorische Kapazität der Zelle. Untermauert wurde die Auswirkung auf die Photorespiration durch weitere Analysen von Proteinen, die bei diesem Prozess eine wichtige Rolle spielen.

„Damit beweist unsere Studie, dass subzelluläre Analysen des pflanzlichen Stoffwechsels helfen, zentrale regulatorische Prinzipien aufzudecken“, sagt Nägele. „Mithilfe unserer verbesserten Methoden haben wir Marker identifiziert, die für zukünftige Analysen zur Verfügung stehen.“

Prof. Dr. Thomas Nägele
Department Biologie I
Evolutionäre Zellbiologie der Pflanzen
Tel.: +49 (0)89 2180 74660
E-Mail: thomas.naegele@lmu.de

Resolving subcellular plant metabolism
Lisa Fürtauer, Lisa Küstner, Wolfram Weckwerth, Arnd G. Heyer, Thomas Nägele
The Plant Journal 2019