Regulation und Funktion des Phosphatidyl- und Bisphosphatidylglycerins in Pflanzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In Pflanzen ist Phosphatidylglycerin das dominierende Membranlipid der Thylakoide, das aber auch am Aufbau der übrigen Membransysteme beteiligt ist, während Bisphosphatidylglycerin (Cardiolipin, CL) das Markerlipid der Mitochondrien repräsentiert. Um Biosynthese, Regulation und Funktion dieser Membranlipide in Pflanzen zu studieren, wurden im vorliegenden Projekt zum einen die für die Biosynthese von PG und CL essentiellen PGP(Phosphatidylglycerophosphat-Synthase)- und CLS(CLSynthase)- Gene aus Arabidopsis thaliana kloniert und funktional charakterisiert und zum anderen A. thaliana-Mutanten mit Defekten in diesen Genen analysiert. Unsere Untersuchungen zeigten, dass PGP1 von A. thaliana sowohl die plastidäre als auch die mitochondriale Phosphatidylglycerophosphat-Synthase kodiert, während die Expression von PGP2 das mikrosomale Enzym liefert. Durch die Überexpression dieser Gene gelang es uns erstmals, die pflanzlichen Phosphatidylglycerophosphat- Synthasen zu reinigen und zu charakterisieren. Demnach ähneln die pflanzlichen Enzyme hinsichtlich Struktur und katalytischen Eigenschaften den bakteriellen Enzymen, sie unterscheiden sich aber von den entsprechenden Enzymen aus Hefeund Tiermitochondrien. Dagegen weist die pflanzliche CL-Synthase, die in A. thaliana nur von einem Gen kodiert wird, deutliche Ähnlichkeiten zu den entsprechenden Enzymen aus anderen Eukaryoten auf, was auf einen gemeinsamen evolutiven Ursprung der eukaryoten CL-Synthasen hindeutet. Wie unsere Untersuchungen mit einer pgp1-Nullmutante von A. thaliana zeigten, ist die plastidäre PG-Synthese für die Biogenese der Thylakoide und damit für das photoautotrophe Wachstum der Pflanzen essentiell. Im Unterschied zu Hefen und Tieren spiegelt sich ein Defekt in der mitochondrialen PG-Biosynthese bei Pflanzen nicht in ihrem Phänotyp wider. Vielmehr kann dieser Defekt bei Pflanzen durch das vom PGP2-Gen kodierte Enzym und einem PG-Transport aus dem ER in die Mitochondrien kompensiert werden. Unsere Experimente mit cls-A. thaliana-Mutanten und transgenen Pflanzen zeigten, dass der CL-Gehalt in pflanzlichen Mitochondrien primär nicht über die CLS-Aktivität, sondern über die dem Enzym zugänglichen Substratpools gesteuert wird. Eine Inaktivierung des CLS-Gens ist bei Pflanzen im Unterschied zu Hefe letal und führt zu Defekten in der Pollenentwicklung. Unsere Ergebnisse lieferten somit neue Einblicke in Biosynthese und Transport anionischer Membranlipide und in die Mechanismen, über die PG- und CL-Gehalte in pflanzlichen Zellen gesteuert werden, und zeigten die essentielle Rolle dieser Lipide beim photoautotrophen Wachstum der Pflanzen und ihrer generativen Vermehrung auf.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Babiychuk, E., Müller, F., Eubel, H., Braun, H.P., Frentzen, M. und Kushnir, S. (2003) Arabidopsis phosphatidylglycerophosphate synthase 1 is essential for chloroplast differentiation, but is dispensable for the function of mitochondria. Plant J. 33: 899-909.
- Frentzen, M. (2004) Phosphatidylglycerol and sulfoquinovosyldiacylglycerol: anionic membrane lipids and phosphate regulation. Curr. Opin. Plant Biol. 7: 270-276.
- Houtkooper, R.H., Akbari, H., van Lenthe, H., Kulik, W., Wanders, R.J.A., Frentzen, M. und Vaz, F.M. (2006) Identification and characterization of human cardiolipin synthase. FEBS Lett. 580: 3059-3064
- Müller, F. und Frentzen, M. (2001) Phosphatidylglycerophosphate synthases from Arabidopsis thaliana. FEBS Lett. 509: 298-302.
- Nowicki, M., Müller, F. und Frentzen, M. (2005) Cardiolipin synthase of Arabidopsis thaliana. FEBS Lett. 579: 2161-2165.
