Prozessierung von Prohormonen und Regulation der Wundantwort durch Zelltodproteasen in Pflanzen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Schaller
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 243053850

Ungeachtet der Bedeutung von Peptidhormonen für Wachstum und Entwicklung von Tieren, sind Peptide als mögliche Signalmoleküle in Pflanzen lange vernachlässigt worden. In den letzten Jahren aber wurden etwa ein Dutzend sekretierter Peptidsignalmoleküle identifiziert und hunderte weiterer wurden bioinformatisch vorhergesagt. Für die Reifung dieser Signalmoleküle sind in den meisten Fällen post-translationelle Modifizierungen erforderlich, darunter die proteolytische Prozessierung des jeweiligen Vorläuferproteins, die zur Freisetzung des aktiven Peptides führt. Das gilt auch für Systemin, das 1991 als das erste Peptidsignalmolekül in Pflanzen identifiziert wurde und das als essentieller Bestandteil des Wundsignaltransduktionsweges die Induktion von Abwehrreaktionen gegen herbivore Insekten in Solanaceen vermittelt. Wie aber Systemin und andere Peptidsignalmoleküle aus ihren Vorläufern freigesetzt werden, sowie auch die Identität der daran beteiligten Proteasen, ist nach wie vor ungeklärt. Mit dem Ziel, das Prosystemin-prozessierende Enzym zu identifizieren, haben wir eine Aspartat (Asp)-spezifische Protease aus Tomatenpflanzen gereinigt, die Prosystemin spezifisch an zwei das Systeminpeptid flankierenden Asp-Resten spaltet. Das Spaltprodukt erwies sich als aktiv und induzierte im Biotest Marker der Wundreaktion. Wurde die Spaltung durch zielgerichteten Austausch der beiden Aspartate verhindert war auch im Biotest keine Aktivität mehr zu verzeichnen. Die Identität der für die spezifische Spaltung verantwortlichen Protease konnte massenspektrometrisch auf SlPhyt-1 oder SlPhyt-2 eingegrenzt werden. Dabei handelt es sich um zwei Homologe der Phytaspase, einer Protease aus Tabak und Reis, für die zuvor eine Beteiligung am programmierten Zelltod nachgewiesen worden war. Die Daten lassen vermuten, dass es eine Genduplikation den Homologen in Tomate erlaubte, neben ihrer bereits bekannten Rolle im Rahmen des programmierten Zelltods, neue Funktionen bei der Prozessierung von Prosystemin und der Regulation der Wundantwort zu akquirieren. Diese Hypothese ist Gegenstand des beantragten Forschungsvorhabens. Durch Analyse des Funktionsverlustes und des Funktionsgewinns von SlPhyt-1 und SlPhyt-2 in transgenen Pflanzen werden wir die physiologische Bedeutung dieser Proteasen in vivo bestimmen und ihren spezifischen Beitrag zum programmierten Zelltod auf der einen, und zu Prosystemin-Prozessierung und Wundsignaltransduktion auf der anderen Seite erfassen. Mit dem geplanten Forschungsvorhaben adressieren wir die seit langem offene Frage, wie es im Rahmen der systemischen Abwehrreaktion gegen herbivore Insekten zur Bildung und Freisetzung des Peptidsignalmoleküls Systemin kommt. Über diese spezifischen Aspekte hinaus wird die Studie neue Erkenntnisse im Hinblick auf die der Peptidhormonreifung zugrunde liegenden Mechanismen erbringen, als auch hinsichtlich der Rolle von Proteasen als Regulatoren von Zelltod und pflanzlichen Abwehrreaktionen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Beteiligte Person: Professor Dr. Andrey Vartapetian