Molekulare Signalwege in Pflanzen

Lebende Organismen besitzen ein sehr komplexes biochemisches Signalnetzwerk, das praktisch alle Funktionen von zellulärer Ebene bis zur höheren Ebene des Organismus reguliert. NO ist an der Regulierung von Pflanzenfunktionen beteiligt, etwa Krankheitsresistenzen, Gasaustausch, Keimung der Samen und Wurzelentwicklung.

So liegen vielen biologischen Funktionen Wechselwirkungen zwischen NO (oder allgemein der Stickstoffmonoxid-Familie (NOx)) und Proteinen zugrunde. EU-finanzierte Wissenschaftler untersuchten im Projekt "NO-dependent protein translocation and S-nitrosylation of nuclear proteins in Arabidopsis thaliana" (PRONITROARAB), welche Zielmoleküle diese Funktionen vermitteln, insbesondere bei Kernproteinen.

Eine der wesentlichen Strategien, mit denen NO Funktionen in Pflanzen reguliert, ist seine kovalente Bindung an Cystein(S)-Reste anderer Moleküle (S-Nitrosylierung). Zunächst analysierte das Team mit bioinformatischen Methoden (der für S-Nitrosylierungsstellen neu entwickelten Simulationssoftware GPS-SNO 1.0-Software) das gesamte Proteom von A. thaliana (27.416 Proteine), und zwar mit beeindruckenden Ergebnissen.

Kandidaten für die S-Nitrosylierung fanden sich in großen Mengen in allen zellulären Kompartimenten (etwa Membran, Chloroplasten, u.a.). Eine Analyse der wahrscheinlichsten Kandidaten (höhere statistische Wahrscheinlichkeit) ergab insgesamt 3.190 S-Nitrosylierungsstellen in insgesamt 3.005 Zielproteinen, vor allem in Chloroplasten, dem intrazellulären Kompartiment und Plasmodesmen. Sie machten 5 bis 17 % des Gesamtproteingehalts pro Kompartiment aus.

Anschließend untersuchte das Team im Detail und in vivo die S-Nitrosylierung von Kernproteinen. Um S-nitrosylierte Kernproteine zu identifizieren, die für das pflanzliche Abwehrsystem zuständig sind, wurde A. thaliana mit Krankheitserregern infiziert. Diese kleine Blühpflanze gilt als ideales Modellsystem in der Pflanzenbiologie.

Dann wurden die Proteine aus den Zellkernen isoliert und mittels BST (Biotin-Switch-Assay) analysiert, um S-nitrosylierte Kernproteine zu identifizieren. Als Kontrolle dienten Kernextrakte, denen ein NO-Donor zugeführt wurde. Von den 195 identifizierten Kandidaten waren 57 % (111) Kernproteine. Diese Proteine üben eine Vielzahl von Funktionen aus, was die Bandbreite des NO-Signalwegs bei der Regulierung aufzeigt.

Kenntnisse zu den Regulierungsmechanismen bei Pflanzen sind in vielerlei Hinsicht relevant, angefangen bei der Grundlagenforschung über die Verbesserung von Pflanzenwachstum und Krankheitsresistenzen bis hin zu Aussagen über ähnliche Signalwege in anderen Systemen. PRONITROARAB enthüllte, wie Pflanzen Prozesse durch S-Nitrosylierung von Proteinen regulieren, was den Weg für zahlreiche künftige Experimente ebnet und neue Forschungsaufgaben bietet.