Proteinphophorylierung und Kalziumsignale in Chloroplasten

Chloroplasten sind essentielle pflanzliche Organellen mit endosymbiontischem Ursprung, die eine Reihe wichtiger Stoffwechselprozesse wie Photosynthese, die Biosynthese von Aminosäuren und Vitaminen, sowie von Lipiden durchführen. Diese Prozesse sind unmittelbar mit der pflanzlichen Produktivität verknüpft. Daher ist ein tieferes Verständnis dieser Prozesse erforderlich, um in der Zukunft die Erträge und die Leistung von Kulturpflanzen zu steigern. Für eine schnelle Regulation dieser Prozesse als Reaktion auf sich verändernde Umweltbedingungen müssen Chloroplasten in das zelluläre Signaltransduktionsnetzwerk integriert werden. Zusätzlich zu der in Plastiden dominierenden Redox-Regulation, spielt Proteinphosphorylierung dabei eine Schlüsselrolle in der Regulation zellulärer Prozesse und in der Signalübertragung als Reaktion auf Umweltreize. Dieses Projekt beinhaltet die funktionelle Charakterisierung von zwei neu entdeckten Chloroplastenproteinen: Einer Proteinkinase, die innerhalb des Chloroplasten lokalisiert ist, und einem Kalzium-bindenden Protein an der äußeren Chloroplastenmembran. Außerdem werden wir auch den Einfluss von Kalzium-abhängiger Phosphorylierung der Chloroplastenprotease Var1 untersuchen, die eine wichtige Rolle in der Regulation des "Turnovers" eines photosynthetischen Reaktionszentrums spielt. Wir werden eine funktionelle Charakterisierung von Knockout- und Überexpressor Pflanzen durchführen und nach Zielproteinen suchen, die durch diese Prozesse reguliert werden, um fundamentale Prinzipien im Chloroplasten-Stoffwechsel und der Photosynthese zu verstehen.

Pflanzen sind in der Lage, aus dem CO2 der Luft, Wasser und einfachen Nährstoffen aus dem Boden komplexe organische Verbindungen aufzubauen. Dies erfolgt durch den Prozess der Photosynthese in den Chloroplasten der Blätter. Chlorophyll fängt dabei Lichtenergie ein, die dann in organische Verbindungen umgewandelt wird, wobei als Nebenprodukt Sauerstoff entsteht. Da sich die Umweltbedingungen ständig ändern, steht der Pflanze mal mehr, mal weniger Licht oder Wasser zur Verfügung, und sie muss sich an Hitze, Kälte oder Trockenperioden anpassen und ihre Lichtausbeute oder den Wasserverbrauch regulieren. Diese Anpassung wird durch molekulare Schalter, sogenannten Proteinkinasen, sowie Kalziumsignale gesteuert. Diese Regulatoren können auch funktionell miteinander verknüpft sein, z.B. wenn Kalziumsignale die Kinasen aktivieren (einschalten). Diese Signale sind in tierischen Systemen und generell auch in Pflanzen bereits gut verstanden, in den Chloroplasten weiß man darüber aber noch sehr wenig, was besonders bemerkenswert ist, da hier die Grundlage für die gesamte pflanzliche Produktivität und im weiteren Sinne auch für unser Leben auf der Erde liegt. In diesem Projekt wurden nun drei verschiedene Komponenten untersucht, die in diesen Prozessen involviert sind: eine Proteinkinase, ein kalziumbindendes Protein in den Chloroplasten, und ein kalziumbindendes Protein in der Chloroplastenhülle, der sog. Envelope Membran. Dabei zeigte die Charakterisierung der beiden kalziumbindenden Proteine, dass Kalzium eine ganz wesentliche Funktion für die Entwicklung und die Stressanpassung von Chloroplasten hat. Pflanzen, die entweder zu viel oder zu wenig vom kalziumbindenden Protein in den Chloroplasten haben, zeigen ein sehr langsames Wachstum und eine Vergilbung der Blätter, was auf Probleme in der Photosynthese hinweist. In der Tat war die Photosyntheseleistung dieser Pflanzen reduziert und auch die Phosphorylierungsmuster an den Membranen waren erheblich verändert, was den engen Zusammenhang von Kalzium und Proteinphosphorylierung in Chloroplasten zeigt. Pflanzen, in denen das kalziumbindende Protein in der äußeren Chloroplastenmembran verändert war, zeigten eine erhöhte Sensitivität gegenüber Fraßfeinden. Vorläufige Daten deuten darauf hin, dass die Regulation der pflanzlichen Abwehrmechanismen gegen solche Schädlinge beeinflusst ist, wobei wiederum die Chloroplasten eine wesentliche Rolle spielen. Dabei arbeiten mehrere zelluläre Stoffwechselwege zusammen, die teilweise in den Chloroplasten und an anderen Orten der Zelle lokalisiert sind. Dabei dürfte das kalziumbindende Protein in der Chloroplastenmembran eine wichtige Rolle in der Koordination der verschiedenen Stoffwechselwege spielen.