PLASMAMEMBRANDOMÄNEN: PHOTOSYNTHESE, IONENSTRÖME, PROTEOMIK

Charasomen sind gefaltete Plasmamembrandomänen in Internodialzellen der Grünalgae Chara australis (Characeae). Entsprechend aktueller Hypothesen, die auf Grund indirekter Befunde erstellt wurden, sind die Charasomen verantwortlich für eine lokale Ansäuerung des Mediums, die für eine effektive Kohlenstoffassimilation und Photosynthese benötigt wird. Sie sollen auch eine wichtige Rolle bei der Cl- Aufnahme und beim Ca2+-Transport spielen. Über die Proteinzusammensetzung der Charasomen ist bisher noch nichts bekannt, abgesehen von einem noch nicht charakterisierten Proteoglucan, das für die Einstülpung der Plasmamembran verantwortlich sein könnte. Vor kurzem konnten wir zeigen, dass die Charasomen in vivo durch Fluoreszenzfarbstoffe angefärbt werden können. Dies erlaubt einen direkten Vergleich der Charasomenverteilung mit Membrantransport- Prozessen und Membran-Eigenschaften. Im Verlauf dieses Projektes möchten wir folgende Hypothesen testen: (1) Unter steady state conditions sind Charasomen am lokalen Protonenexport beteiligt. (2) Unter ungestörten Bedingungen zeigen charasomenreiche Regionen eine erhöhte Photosyntheserate. (3) Charasomen sind an der Cl- Aufnahme beteiligt, nicht jedoch am Ca2+ Transport. (4) Die Anwesenheit von Charasomen beeinflusst die intrazelluläre Ionenkonzentration und verursacht laterale Unterschiede im Plasmamembranpotential. (5) Charasomen sind charakterisiert durch ein spezifisches Proteoglucan aber nicht durch charasomenspezifische Transportproteine. Für unsere Untersuchungen kombinieren wir elektrophysiologische Untersuchungen mit Fluoreszenz- und konfokaler Laser-SkanningMikroskopie.Massenspektrometrische Analysenwerdenzur Identifizierung von Proteinen herangezogen, die in Charasomen im Vergleich zur glatten Plasmamembran entweder spezifisch angereichert sind oder fehlen. Das vorgeschlagene Forschungsprojekt wird unser Wissen über laterale Organisation biologischer Membranen und Transmembran-Transport erweitern.

Pflanzenzellen, die auf den Transport von Ionen und Metaboliten spezialisiert sind, bilden dreidimensionale Plasmamembran-Domänen um eine größere Zahl von Transportproteinen unterzubringen. Zur Untersuchung dieser Domänen sind die Internodalzellen der Grünalge Chara besonders gut geeignet. Ihre "Charasomen" sind an der lokalen Ansäuerung der Zelloberfläche beteiligt und dienen damit der erleichterten Aufnahme von Kohlenstoff für die Photosynthese. Wir benutzten Methoden der Molekularbiologie und subzelluläre Proteomik, sowie bildgebende Verfahren mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung um Transport- und andere Proteine zu identifizieren und zu charakterisieren. Wir untersuchten ihre differentielle Verteilung entlang der Zelloberfläche und ihre Rolle bei der Bildung und beim Abbau der Charasomen. Unsere Analysen ergaben, dass stabile saure Regionen mit einer großen Charasomendichte eine erhöhte Konzentration von H+ ATPasen (Transportern, die für die Abgabe von Protonen verantwortlich sind) aufweisen, nicht nur wegen der größeren Membranfläche, sondern auch wegen einer höheren Dichte. Die Sequenz der Chara Plasmamembran H+ ATPase, die für die Ansäuerung verantwortlich ist, wurde analysiert. Ein lang umstrittener OH- Kanal, der für den Ladungsausgleich sorgt, wurde gefunden. Wir konnten nachweisen, dass die Aktivierung bzw. Deaktivierung der Transportproteine und die Kommunikation zwischen weit entfernten Chloroplasten durch Wirkstoffe gehemmt wird, die den Transport zwischen verschiedenen Organellen inhibieren. Damit wurden unerwartete Interaktionen zwischen unterschiedlichen metabolischen Wegen gefunden. Im Verlauf des Projekts ergaben sich neue Aspekte zur Bildung bzw. zum Abbau der Charasomen. Die lichtabhängige Bildung der Charasomen erfordert eine lokale Inaktivierung spezieller Enzyme, die für ein Clathrin-abhängiges Membranrecycling benötigt werden und diese Inaktivierung wird im Dunkeln aufgehoben. Clathrinproteine sind auch in stabilen Charasomen vorhanden und vermutlich am komplexen Bau dieser Domänen beteiligt. Im Licht konnte der Abbau von Charasomen bei eng benachbarten Zellen beobachtet werden. Dabei kommt es zu einer Synchronisierung der pH Muster, der Photosyntheseaktivität und, nach einigen Tagen, zu einem Abbau an den gemeinsamen alkalischen bzw. zu einer Neubildung von Charasomen an den gemeinsamen sauren Regionen. Diese Arbeit zeigt erstmalig, dass Pflanzenzellen über unterschiedlichen Oberflächen-pH miteinander kommunizieren.