Doppelter Einsatz: Translation und Photosynthese

Dass IF-3 an der Translation bei Prokaryonten beteiligt ist, ist schon lange bekannt. Durch einen Zufall kam nun eine ganz andere Funktion des Proteins zutage: Es ist auch an der Regulation der Photosynthese beteiligt und könnte ein neuartiger Angriffspunkt zur Verbesserung von Pflanzeneigenschaften und für die Entwicklung von Antibiotika sein.

Die Photosynthese ist ein essentieller Prozess für eine Pflanze. Wie er reguliert wird, ist bis heute noch nicht in allen Einzelheiten bekannt. Wissenschaftler haben nun eine Zusatzfunktion eines an der Translation beteiligten Proteins bei der Photosynthese von Cyanobakterien entdeckt.

IF-3 steuert Translation in Bakterien

Das offenbar vielseitige Protein mit dem Namen Translations-Initiationsfaktor 3 (IF-3) gehört zu einem Proteinkomplex, der in Bakterien maßgeblich an der Translation, dem Übersetzen der Information der mRNA in ein Protein, beteiligt ist. Prokaryoten besitzen drei Initiationsfaktoren (IF-1, IF-2 und IF-3), die den reibungslosen Ablauf der Translation gewährleisten. Sie binden alle an die kleine Untereinheit des Ribosoms. Die Aufgabe von IF-3 ist es, die vorzeitige Bindung der großen Untereinheit an die kleine zu verhindern. Das System der eukaryotischen Initiationsfaktoren weist Ähnlichkeiten auf ist aber komplexer. Die beteiligten Proteine gehören zu zahlreichen, verschiedenen Proteinfamilien und erfüllen eine Vielzahl unterschiedlicher Funktionen.

Lichtverhältnisse optimal ausnutzen

Wissenschaftler konnten nun belegen, dass IF-3 auch noch einem ganz anderen Prozess beteiligt ist, mit dem sich Cyanobakterien und Rotalgen auf verschiedene Lichtverhältnisse einstellen. In der sogenannten chromatischen Adaption sind diese beiden Organismen über die Anpassung ihre Antennenpigmente in der Lage, sich auf die Lichtverhältnisse ihrer Umgebung einzustellen. Dabei variieren sie das Verhältnis von rot absorbierenden (Phycocyanin) und grün absorbierenden (Phycoerythrin) Photosynthesepigmenten derart, dass sie das vorhandene Licht maximal absorbieren. Auf diese Weise sind sie auch in größeren Wassertiefen noch zur Photosynthese fähig, in denen das Lichtspektrum bereits stark eingeschränkt ist.

IF-3 gibt es gleich zweimal in Cyanobakterien

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Als die Wissenschaftler nach Mutanten suchten, die das grün absorbierende Pigment Phycoerythrin nicht korrekt herstellen können, stießen sie auf eine solche, die eine Mutation im für IF-3 codierenden Gen infC aufwies. Das überraschte die Forscher zunächst sehr, da diese Mutation für alle anderen Bakterien normalerweise tödlich ist. Die Forscher konnten das Rätsel lösen, als sie ein zweites infC-Gen in Fremyella diplosiphon, dem Modellorganismus für Lichtstudien in Cyanobakterien, vorfanden. Beide IF-3 Proteine, die als IF-3a und IF-3b bezeichnet wurden, können die seit langem bekannte Funktion während der Translation übernehmen. Doch nur IF-3a ist auch an der photosynthetischen Genregulation beteiligt, wo es die Lichtempfindlichkeit von Genen kontrolliert, die für die Photosynthese wichtige Proteine  codieren.

Auch andere Organismen haben mehrere IF-3

Mit Hilfe von Kooperationspartnern durchforsteten die Wissenschaftler die Genome von hunderten von Pro- und Eukaryonten und fanden dabei zahlreiche Spezies, deren Genome ebenfalls in Lage sind, mehrere IF-3 Proteine zu produzieren. Bei einer Cyanobakterienart fanden sie sogar genetische Informationen für fünf verschiedene IF-3 Proteine. Antennenpigmente nutzen zwar alle phototrophen Lebewesen, doch lediglich Cyanobakterien und Rotalgen sind in der Lage, eine chromatische Adaption durchzuführen. IF-3 muss bei allen anderen Lebewesen, in denen es entdeckt wurde, also eine andere Funktion erfüllen. Die Wissenschaftler vermuten, dass IF-3 Proteine wichtige Regulatoren für intrazelluläre Prozesse in Pro- und Eukaryonten sind.

Alle Eukaryoten, die mehrere infC-Gene besitzen, betreiben auch Photosynthese, wie die Untersuchungen der Wissenschaftler zeigten. Dazu gehören Kieselalgen, Grünalgen und Landpflanzen. Diese Gene lassen sich in zwei Gruppen einteilen: Eine Gruppe der IF-3 Proteine reguliert die Translation in den Chloroplasten, die andere die in den Mitochondrien. Ein beträchtlicher Teil (etwa 26 %) der Landpflanzen besitzt bis zu drei Kopien von infC-Genen aus beiden Gruppen oder aus jeweils einer. Daraus schließen die Wissenschaftler, dass Landpflanzen, genauso wie Cyanobakterien, mehrere IF-3 Gene zur Verfügung haben, um die Genexpression in den entsprechenden Zellorganellen an Umweltbedingungen anzupassen und/oder Entwicklungsphasen der Pflanze entsprechend zu regulieren.

Antibiotika mit neuem Angriffspunkt

Die Begeisterung über die Entdeckung der Zusatzfunktion von IF-3 hat aber noch einen anderen Grund. Bisher war es für Wissenschaftler sehr schwer, die Funktion dieses Proteins zu untersuchen, da IF-3 so wichtig für die Translation ist, dass es praktisch nicht verändert werden kann, ohne dass der Organismus stirbt. Daher ist es bis heute eines des wenigen Proteine in der Translation von Bakterien, das kein Angriffspunkt für ein Antibiotikum ist. Das könnte sich in Zukunft ändern. „Nun wissen wir, dass F. diplosiphon zwei funktionell unterschiedliche IF-3 Proteine besitzt und keines von ihnen lebensnotwendig ist. So haben wir nun die Chance herauszufinden, wie die Struktur von IF-3 mit seiner Funktion zusammenhängt“, so Kehoe, und weiter: „Wenn wir genau verstehen, welche Rolle IF-3 in der Translation bei Bakterien übernimmt, entstehen neue Möglichkeiten zur Entwicklung von Antibiotika gegen diese Proteinklasse.“ Durch das gezielte Ausschalten, können Genfunktionsbeziehungen aber auch der zeitliche und räumliche Ablauf untersucht werden. 

Eigenschaften von Pflanzen verbessern

Auch Pflanzenzüchter könnten vor der neu entdeckten Funktion von IF-3 profitieren: „Besonders interessant an unserer Entdeckung war, dass IF-3 Proteinfamilien auch in einer Reihe von wirtschaftlich bedeutsamen Nutzpflanzen vorkommen“, so Studienleiter David Kehoe. „Das bedeutet, dass wir einen neuen Ansatzpunkt haben, an dem wir agronomisch wichtige Eigenschaften einer Pflanze über die Expressionsmuster verschiedener IF-3 Proteinfamilienmitglieder verändern können.“