Charakterisierung der Xanthinoxidase-Proteinfamilie in Arabidopsis: Biochemie und physiologische Bedeutung für die Synthese von Phytohormonen, Ureiden und reaktiven Sauerstoffspezies

• Antragsteller: Dr. Christian Gehl, seit 10/2015
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 234281575

Zur Xanthinoxidase-Familie zählen die Aldehydoxidasen (AO) und Xanthindehydrogenasen (XDH), welche in verschiedenen Pflanzen mit unterschiedlichen Isoformen vertreten sind. In Arabidopsis werden 4 verschiedene AO-Proteine, AAO1-4, exprimiert, welche als Homo- und Heterodimere auftreten. Während die AAO3 als ein Schlüssel-Enzym der Abscisinsäure-Biosynthese akzeptiert ist, sind die physiologischen Funktionen der anderen AO-Proteine bisher unklar. So wird lediglich aufgrund von Substratspezifitäten vermutet, dass AAO1 und/oder AAO2 die Oxidation von Indolessigaldehyd zur Indolessigsäure katalysieren und damit an der Indolessigsäure-Synthese beteiligt sind. Für AAO4 wird eine Beteiligung an der Synthese von Glukosinolaten vorgeschlagen, allerdings stehen auch hier eindeutige Nachweise noch aus. Innerhalb des beantragten Projektes sollen daher die physiologischen Funktionen der AO-Isoformen AAO1, 2 und 4 detailliert charakterisiert und identifiziert werden.XDH-Proteine sind in Arabidopsis mit zwei Genen vertreten, wobei die AtXDH2 ein Pseudogen zu sein scheint während der AtXDH1 eine Schlüssel-Funktion im Purinabbau zukommt. XDH-Proteine sind die evolutionären Vorstufen der AO-Proteine, weshalb sie sich mit diesen einige Eigenschaften teilen. So vermögen beide die aus ihren Substraten freigesetzten Elektronen auf Sauerstoff zu übertragen, was im Falle der XDH mit der Bildung von Superoxiden, im Falle der AO zusätzlich mit der Bildung von Wasserstoffperoxid einhergeht. Daneben besitzen beide Enzyme eine NADH-Oxidase-Aktivität, die mit der Bildung von Superoxiden assoziiert ist. Interessanterweise sind alle physiologischen Bedingungen mit erhöhten AAO3- bzw. AtXDH1-Aktivitäten stets auch durch einen gesteigerter Bedarf an reaktiven Sauerstoffen gekennzeichnet (z.B. Trockenstress, Seneszenz). Da eine physiologische Bedeutung der durch XDH und AO produzierten reaktiven Sauerstoffspezies bisher nicht untersucht ist, soll dies im Rahmen des beantragten Projektes erfolgen.In Vorarbeiten konnten für AAO3 und AtXDH1 eine Regulation durch Ubiquitinierung gezeigt werden, wobei ein Aufheben der Ubiquitinierung und damit des kontrollierten Abbaus dieser Enzyme mit extrem verfrühter Seneszenz assoziiert war. Neben entsprechenden Ubiquitinierungsmotiven besitzen AAO3 und AtXDH1 jedoch auch stark ausgeprägte Sumoylierungsmotive, deren Bedeutung bisher noch gar nicht berücksichtigt wurde. Da derartige Motive auch in anderen AO-Isoformen zu finden sind soll nun untersucht werden, ob alle oder bestimmte Enzyme der Xanthinoxidase-Familie diesen post-translationalen Modifikationen unterliegen und wenn ja, aus welchen physiologischen Gründen.Schließlich sollen mit Hilfe rekombinanter Proteine einige wesentliche biochemische Eigenschaften von XDH- und AO-Proteinen untersucht werden, wobei die Charakterisierung der Substratspezifitäten und eine mögliche Bildung von Stickstoff-Monoxid, welche seit geraumer Zeit diskutiert wird, im Vordergrund stehen sollen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Stefan Hoth; Professor Dr. Tomokazu Koshiba
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Florian Bittner, bis 10/2015