Interne Kommunikation bei Stress

So kommunizieren Zellorganellen mit dem Zellkern

17.05.2019 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Pflanzenzellen: Das GUN1-Protein koordiniert die Rekrutierung von Proteinen in die Chloroplasten (grün). (Bildquelle: © iStock.com/NNehring)
Pflanzenzellen: Das GUN1-Protein koordiniert die Rekrutierung von Proteinen in die Chloroplasten (grün). (Bildquelle: © iStock.com/NNehring)

Eine Pflanze muss sich rasch an veränderte Umweltbedingungen anpassen können. Dazu ist die Kommunikation der Chloroplasten und Mitochondrien mit dem Zellkern unerlässlich. Das GUN1-Protein ist für die innerzelluläre Kommunikation und den optimalen Import von Proteinen in die Chloroplasten insbesondere unter Stressbedingungen von großer Bedeutung.

Eine Pflanze ist fest an ihren Standort gebunden. Ändern sich die Umweltbedingungen, muss sie rasch reagieren und sich anpassen können. Um diese Maßnahmen etwa bei Trockenheit, Fraßbefall, wechselnden Lichtintensitäten oder Temperaturen zu initiieren, ist die innerzelluläre Kommunikation zwischen den Organellen und dem Zellkern von zentraler Bedeutung. Denn im Zellkern sind fast alle genetischen Informationen der Pflanze gespeichert. Dort entstehen die Proteine, die den Stoffwechsel der Pflanze an unterschiedlichen Stellen beeinflussen.

Komplexes Informationsgefüge

Dass zwischen dem Zellkern und den ausführenden Organellen wie den Plastiden und den Mitochondrien eine Kommunikation stattfinden muss, haben Wissenschaftler bereits vor 30 Jahren postuliert. Im Laufe der Zeit wurde immer deutlicher: Die Kommunikation findet nicht über einzelne Wege statt, sondern über ein dichtes und komplexes Netzwerk.

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Der Import eines grün fluoreszierenden Proteins in die Chloroplasten unter Stressbedingungen erfolgt normal in Wildtyppflanzen (links), während er in Abwesenheit des GUN1-Proteins gestört ist. Das nicht importierte Protein sammelt sich daher außerhalb der Chloroplasten im Zytoplasma der Zellen an (rechts).

Quelle: © MPI-MP, Guo-Zhang Wu

GUN1 steuert innerzelluläre Kommunikation

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Molekulare Pflanzenphysiologie und der Humboldt-Universität zu Berlin haben nun in einer internationalen Kooperation eine zentrale molekulare Komponente dieser retrograden Kommunikation zu entschlüsselt. Es handelt sich dabei um das Protein „Genomes Uncoupled 1“ (GUN1).

GUN1 koordiniert die Rekrutierung von Proteinen in die Chloroplasten

Das GUN1-Protein ist in den Plastiden lokalisiert. Wird die Entwicklung der Pflanze durch ein Stressereignis gestört, ermöglicht GUN1 die Rekrutierung von Proteinen in die Chloroplasten. Diese Erkenntnis gewannen die Forscher an Mutanten der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), denen das GUN1-Protein fehlte. Sie konnten keine ausreichende Menge an Proteinen in die Chloroplasten transportieren.

Um zu verhindern, dass die nicht importieren Proteine unter Stress Schaden nahmen, begannen die Mutanten mit der Produktion von Stressproteinen (HSP70 und HSP90). „Wie viele andere Chaperone auch, kümmern sich HSP90 und HSP70 um fehlgefaltete oder anderweitig nicht-funktionelle Proteine, verhindern deren Verklumpung und können sie z. B. den entsprechenden Abbauwegen zuführen - insbesondere dem sog. Proteasom im Cytosol“, erklärt Ralph Bock vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie.

Unterstützung des Chloroplast-Chaperons cpHSC70-1

Die Forscher machten außerdem ein weiteres Protein aus, mit dem GUN1 zusammenarbeitet: CpHSC70-1 ist ein ATP-gesteuerter Importmotor, der die Einfuhr von Proteinen über den Importkanal steuert. Versuche an cpHSC70-1 Mutanten zeigten, dass GUN1 gemeinsam mit CpHSC70-1 den Proteinimport in die Chloroplasten reguliert. „HSC70 zieht vermutlich die Proteine durch den Importkanal in den Chloroplasten hinein. GUN1 hilft ihm dabei, insbesondere wenn die normale Importkapazität nicht ausreichend ist“, vermutet Bock.

Wie die Wissenschaftler zeigen konnten, beeinflusst die gun1-Mutation die Proteinimportkapazität unter normalen Wachstumsbedingungen nicht. GUN1 übt seine Funktion auf den Proteinimport nur während der Chloroplast-Biogenese aus und wenn die retrograde Signalgebung durch genetische Störungen oder Umweltstress beeinträchtigt ist.

Den praktischen Nutzen der Studie beschreibt Bock folgendermaßen: „Die Erkenntnisse können langfristig dazu beitragen, besser zu verstehen, wie Pflanzen sich an Stresssituationen anpassen und evtl. neue Strategien liefern, wie die Stresstoleranz von Kulturpflanzen verbessert werden kann.“

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