Feindabwehr mit Sauerstoffradikalen

Pflanzen wehren sich gegen Pathogene mit der Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS), die schädlich für das Wachstum von Mikroben sind. Wie genau die Bildung von ROS ausgelöst wird, ist aber noch unklar. Forscher haben jetzt einen zweiten Aktivierungsmechanismus entdeckt.

Wasserstoffperoxid spielt eine wichtige Rolle bei der Verteidigung gegen Krankheitserreger. Die Makrophagen des menschlichen Immunsystems produzieren das Molekül mit Hilfe der Enzymfamilie NADPH-Oxidasen, um damit Viren und Bakterien den Garaus zu machen. Auch Pflanzenzellen greifen auf diese Strategie zurück. Da Pflanzen aber keinen Blutkreislauf und keine spezialisierten Immunzellen haben, muss jede einzelne Pflanzenzelle ihre eigenen NDAHP-Oxidasen bei Angriff anschalten können.

Forscher haben jetzt an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana herausgefunden, dass die pflanzliche NAPDH-Oxidase RbohD auf zwei verschiedenen Wegen aktiviert wird. „Dieser doppelte Aktivierungsmechanismus könnte eine Sicherheitsmaßnahme dafür darstellen, dass die gefährlichen reaktiven Sauerstoffspezies wirklich nur zum richtigen Zeitpunkt hergestellt werden. Die Immunantwort soll schließlich nur aktiviert werden, wenn auch ein Pathogenangriff stattgefunden hat“, erklärt Tina Romeis, Professorin für Biologie an der FU Berlin. Nämlich genau dann, wenn die Pflanzenzelle verräterische Proteinstrukturen der angreifenden Pilze, Bakterien oder anderer Pathogene erkennt.

Zwei Enzyme mit dem gleichen Ziel

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Erkennen Pflanzenzellen fremde Proteine, strömt Calcium in die Zellen. Romeis hatte bereits im vergangenen Jahr herausgefunden, dass dann die calciumabhängige Proteinkinase 5 (CPK5) durch Phosphorylierung das Enzym RbohD aktiviert. Phosphorylierungen, also das Anhängen einer Phosphatgruppe an ein Protein, schalten bestimmte Enzymfunktionen an oder ab und dienen außerdem zur Signalweiterleitung. CPK5 sorgt dafür, dass RbohD an vier Stellen Phosphatgruppen erhält. In der Sprache der Biochemiker heißen sie S39, S148, S163 und S347.

In zwei neuen Studien präsentieren Wissenschaftler jetzt Hinweise darauf, dass es auch einen calciumunabhängigen Weg zur Phosphorylierung von RbohD gibt. Verantwortlich dafür ist das Enzym BIK1. Der Knackpunkt dabei: BIK1 scheint  auch die Position S39 zu phosphorylieren, die Romeis bereits als Ziel von CPK5 identifiziert hatte.

„Das ist das Spannende an den Ergebnissen, dass sie noch einen anderen Typ von Kinase identifiziert haben“, sagt Romeis. „Unsere Daten haben bereits darauf hingedeutet, dass das Enzym durch verschiedene Kinasen phosphoryliert werden muss. Gerade die Phosphorylierung S39 scheint dabei jetzt einen Schlüssel zur schnellen lokalen Aktivierung aber auch zur Weiterleitung des Immunsignals in der gesamten Pflanze darzustellen, welches es unbedingt genauer zu untersuchen gilt.“ Die Wissenschaftler schlagen vor, dass der calciumunabhängige Signalweg mit BIK1 als Vorbereitung für die Phosphorylierung durch CPK5 oder weitere calciumabhängige Kinasen dient. Diese Erklärung ist schlüssig, denn ganz ohne Calcium geht es im Endeffekt nicht. „Die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies ist immer noch calciumabhängig.“

Ohne Calcium werden im Endeffekt keine ROS produziert

Ohnehin ist bei Pflanzen nicht genau geklärt, wie das Calcium in die Zellen strömt. „Es ist verrückt, wir kennen das gesamte Genom von Arabidopsis, aber die Kanäle wurden immer noch nicht gefunden“, so Romeis. Es gibt inzwischen ein paar heiße Kandidaten, aber keine publizierten Ergebnisse. Genau wie die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies ist auch der Einstrom von Calcium in die Zelle ein evolutionär sehr alter Verteidigungsmechanismus, der sich bei Tieren und Pflanzen findet.

Doch das Immunsystem von Pflanzen funktioniert ganz anders als unser eigenes und ist auch vergleichsweise wenig erforscht. „Wir wissen etwa zehn Prozent von dem, was beim Menschen bekannt ist“, sagt Romeis.

Reaktive Sauerstoffspezies oder auch Sauerstoffradikale sind zerstörerische Moleküle, die DNA oder Proteine schädigen können. Darüber hinaus haben sie durchaus nützliche Wirkungen. Der Mensch macht sich zum Beispiel Wasserstoffperoxid (H₂O₂) beim Bleichen von Zellstoff oder Baumwolle zu nutze. Auch in Frisörsalons oder Zahnarztpraxen kommt es immer dann zum Einsatz, wenn etwas weißer werden soll. Wenn Zellen plötzlich zahlreiche dieser reaktiven Sauerstoffspezies herstellen, sprechen Wissenschaftler auch von einem oxidativen Ausbruch (engl. respiratory burst). Daher hat auch RbohD seinen Namen: Respiratory Burst Oxidase Homolog D.