Proteinkinasen in der metabolischen Adaptierung von Pflanzen

Dieses Projekt ist eine Fortsetzung des FWF-Projektes "Targets of calcium-dependent protein kinases" und ist auf die post-translationale Modifizierung des Arabidopsis bZIP Transkriptionsfaktors bZIP63 und seinen Dimerisierungspartnern durch einen neuartigen Proteinkinase-Komplex fokussiert. Dieser Kinase-Komplex wurde in unserer Arbeitsgruppe als Hauptaktivität für die Phosphorylierung von bZIP63 in Pflanzen entdeckt und wurde unabhängig davon auch von einer anderen Gruppe beschrieben. Wir werden nun mit biochemischen Methoden diesen Komplex weiter untersuchen und seine subzelluläre Lokalisierung, sowie seine Substratspezifität genauer charakterisieren. Der Einfluss des Komplexes auf die Entwicklung und metabolische Anpassung von Pflanzen soll unter verschiedenen Bedingungen getetsted werden. Dabei werden verschiedene Mutanten und transgene Pflanzenlinien verwendet, die wir in enger Kollaboration mit unseren Partnern in Tübingen (K. Harter), Würzburg (W. Dröge-Laser), Utrecht (S. Smeekens), und Madrid (J. Vicente-Carbajosa) untersuchen. Das wird es uns ermöglichen, mechanistische Folgen der bZIP phosphorylierung und die Folgen auf die Genexpression und den gesamten Metablismus zu studieren.

Alle Organismen müssen ihren Stoffwechsel ständig an sich ändernde Umweltbedingungen anpassen. Ein zentraler Punkt ist dabei, den Energieverbrauch mit den Erfordernissen von Wachstum und Reproduktion auf der einen Seite und mit Stressantworten auf der anderen Seite auszubalancieren. In allen höheren Organismen wird dieser Prozess durch evolutionär hochkonservierte Proteinkinasen reguliert. In Pflanzen ist dieses Enzym die SnRK1 Kinase, unter Energiemangel (z,B. kein Zucker verfügbar) aktiviert. Damit sind Pflanzen in der Lage, ihren Stoffwechsel in Abhängigkeit der verfügbaren Energie zum Beispiel in Form von Zucker zu regulieren und stellen damit sicher, dass eine ausgewogene Balance zwischen Wachstum und Stressantwort hergestellt wird. Die SnRK1-Kinase kann in Pflanzen das Gleichgewicht auf zwei prinzipielle Arten erreichen: entweder durch eine direkte Regulierung (Phosphorylierung) von Enzymaktivitäten im Stoffwechsel oder durch eine Veränderung der Genexpression.Es wurde schon länger spekuliert, dass SnRK1 die zweite Variante also eine Änderung der Genexpression durch eine direkte Modifizierung eines Proteins bewirkt, welches dann die Genexpression umschaltet. Bislang war aber nicht klar, welche dieser Faktoren daran beteiligt sind. In diesem Projekt wurde die Rolle von bZIP63 ein Protein, das für die Transkription der genetischen Information von Bedeutung ist während eines Energiemangels in der Acker-Schmalwand (Arabidopsis thaliana) untersucht. Die Experimente haben gezeigt, dass das Protein hierfür ein wichtiger Schlüsselregulator ist. Dabei wird die Aktivität durch die SnRK1-Modifikation geregelt, welche bZIP63 an drei bestimmten Stellen abändert.Dies verstärkt die Interaktion mit anderen bZIP-Faktoren und ändert die Genexpression und damit letztendlich den Stoffwechsel. Pflanzen, in denen das bZIP63-Protein fehlt oder nicht modifiziert werden kann, zeigen eine irreguläre Reaktion auf Energiemangel. So bleiben diese etwa nach mehreren Tagen in der Dunkelheit grün im Gegensatz zu normalen (also Wildtyp Pflanzen), die unter diesen Bedingungen vergilben. Im Gegensatz dazu führt Energiemangel bei Pflanzen, die mehr bZIP63-Protein enthalten, zu einer schnelleren Vergilbung unter Energiemangel, die aber durch Zugabe von Zucker wieder aufgehoben werden kann. Diese bZIP-Proteine kommen ebenso in Tieren vor und es wird eine der zukünftigen Herausforderungen sein festzustellen, ob sie dort die gleiche Rolle in der Stressanpassung spielen.