Die Funktion von TOL Proteinen in Pflanzen

Intrazellulärer Transport von Proteinen ist von zentraler Bedeutung für viele Prozesse in höheren Pflanzenzellen. Obwohl diese Transportwege auf molekularer Ebene relativ gut in Hefe -und Tierzellen verstanden werden, sind sie in Pflanzen erst seit einigen, wenigen Jahren Ziel einer detaillierteren Analyse. Das erscheint umso erstaunlicher, als Variationen im intrazellulärem Proteintransport eng mit der Anpassungsfähigkeit von Pflanzen an veränderte Umweltbedingungen gekoppelt sind. Dieses Forschungsprojekt zielt darauf ab, neun pflanzliche "VHS-GAT-Domain" Proteine und deren Funktion im endosomalen Transport in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zu analysieren. Bemerkenswerterweise repräsentieren die TOL- Proteine die einzige Familie an VHS-GAT-Domain Proteinen die in höheren Pflanzen zu finden ist. In Tieren und Pilzen hingegen finden sich mehrere unterschiedliche Proteinfamilien, was vermuten lässt, dass TOL Proteine in Pflanzen einige der Funktionen dieser Proteinklassen übernommen haben. Vor kurzem ist es uns gelungen zu zeigen, dass TOL Proteine die Funktion des ESCRT-0 Komplexes übernehmen können, welcher beim Abbau von Proteinen an der Plasmamembran eine zentrale Rolle spielt. Über weitere Funktionen der TOL Familie ist hingegen noch nichts bekannt. Durch eine Kombination an genetischen, zellbiologischen und biochemischen Ansätzen, wollen wir diese offenen Fragen nun klären. Im Besonderen werden Faktoren identifiziert welche mit den TOL Proteinen regulierend interagieren können. Außerdem soll durch gezielte Mutagenese die Funktion von konservierten TOL Proteinabschnitten analysiert werden, und molekulare Mechanismen,welche die intrazelluläre Lokalisierung von TOL beeinflussen, identifiziert werden. Die Erkenntnisse die in diesem Projekt gewonnen werden, liefern uns neue Einblicke in molekulare Funktion und Mechanismen des vesikulären Transportes in Pflanzenzellen. Darüber hinaus sollten sie den Grundstein für weitere Untersuchungen zur Kontrolle des Proteintransports in höheren Pflanzen und dessen Relevanz für Anpassungsmechanismen an veränderte Umweltbedingungen darstellen.

Da Pflanzen sich nur bedingt von unvorteilhafter Umweltbedingung wegbewegen können, müssen sie schnell und präzise auf eine sich ständig verändernde Umwelt reagieren. Die Plasmamembran einer Zelle ist die Schnittstelle zwischen Innen und Außen (Umwelt) und ist gespickt mit Proteinen, die wesentlich für die Erfassung und Übertragung von internen und externen Reizen sind. Eine strenge Kontrolle der Anzahl aber auch der Positionierung dieser Proteine ist von entscheidender Bedeutung für adaptive Prozesse. In Eukaryonten wird dies durch ein komplexes System von Membranvesikeln ermöglicht, die Proteine an ihren Wirkungsort hin- oder wieder abtransportieren. Proteine die für den Abbau bestimmt sind werden speziell markiert, in dem ihnen ein kleines Protein namens Ubiquitin angehängt wird. Somit werden sie von einer Protein-Maschinerie erkannt, welche sie zu der Vakuole bringt wo sie zerstört werden. Wir konnten vor kurzem zeigen, dass zur anfänglichen Erkennung der Proteine welche abgebaut werden sollen, die evolutionär konservierte Proteinfamilie der TOLs gebraucht wird. Das Hauptziel dieses Projektes war es nicht nur herauszufinden wo in der Zelle die TOL Proteine lokalisieren, sondern auch Determinanten zu finden welche ihre Funktion kontrollieren. TOL-Proteine enthalten zwei konservierte Ubiquitin-bindende-Abschnitte (UBD), mittels denen sie die zum Abbau bestimmten Plasmamembran Proteine erkennen. Ubiquitin- Rezeptoren, die UBDs enthalten, unterliegen häufig einem regulatorischen Mechanismus, der als gekoppelte Monoubiquitinierung bezeichnet wird, wobei ihre eigene Ubiquitinierung ihre Fähigkeit zur Bindung anderer Ubiquitine verhindert.Mittels TOL-Mutante, welche nicht mehr an Ubiquitin binden konnten und TOL-Mutanten, welche kontinuierlich ubiquitinierten Status vortäuschen, haben wir in vitro Ubiquitin- Bindungsstudien durchgeführt und konnten erfolgreich eine wesentliche Abnahme der Ubiquitin-Bindung zeigen. Dementsprechend entwickelten wir in planta TOL-Konstrukte, um den Effekt in der Pflanze zu analysieren und konnten zeigen, dass diese Konstrukte ihre Funktion nicht mehr ausführen können. Die Lokalisierung und Funktion der TOLs wird daher durch gekoppelte Monoubiquitinierung reguliert, wodurch die Feinabstimmung beim Abbau von Plasmamembran-Proteinen kontrolliert werden kann. Die hier vollbrachte Arbeit hat unser Verständnis zur Rolle der TOL-Proteinen in Pflanzen erheblich verbessern, indem sie neue Einblicke in die Regulation von Membranproteinen in Pflanzen hervorgebracht hat und Mechanismen aufklärt, die ermöglichen Pflanzenwachstums und Entwicklung auf die Umwelt feinabzustimmen.