Import von Fettsäuren in die peroxisomale Matrix
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Trotz vergleichbarer Komponenten scheint sich der Mechanismus des Fettsäure-Imports in Peroxisomen in Pflanzen grundlegend von dem in Saccharomyces cerevisiae zu unterscheiden. Die umfangsreichsten Untersuchungen wurden an dem aus zwei Halbtransportern zusammengesetzten ABC-Transporter Pat1p-Pat2p aus Hefe durchgeführt. Eine Kombination von genetischen und biochemischen Untersuchungen in Hefe deutet darauf hin, dass der ABC-Transporter aktivierte Fettsäuren in Form von Acyl-CoA-Verbindungen durch die peroxisomale Membran transportiert. In Arabidopsis thaliana dagegen ist neben der Beteiligung des ABC-Transporters PXA1 am Import in das peroxisomale Lumen zusätzlich die Aktivierung der Fettsäuren für eine erfolgreiche β-Oxidation während der Keimlingsentwicklung essentiell. Durch heterologe Komplementationsexperimente konnte im Rahmen des Projekts gezeigt werden, dass der pflanzliche Transporter PXA1 nur in Kombination mit intraperoxsiomaler Fettsäureaktivierung eine erfolgreiche Fettsäuremetabolisierung in der Hefe Doppelmutante pat1Δfaa2Δ ermöglicht. Der Mechanismus des Fettsäure-Imports in Peroxisomen der Pflanze scheint sich demnach, wie vermutet, grundlegend von dem in Saccharomyces cerevisiae zu unterscheiden. Durch Manipulation des peroxisomalen Fettsäurestoffwechsels in S. cerevisiae konnte dessen Bedeutung für die Vitalität der gesamten Hefezelle gezeigt werden. Verschiedene Kombinationen von Geninaktivierung führten zu gravierenden Wachstumsphänotypen, die mit einem drastischen Absinken der Konzentration des zellulären Acyl-CoA-Pools einhergingen. Durch Behinderung des Fettsäureimports in die Peroxisomen ließen sich diese Phänotpyen aufheben. Die Ergebnisse zeigen, dass ein fehlgeleiteter peroxisomaler Fettsäurestoffwechsel dramatische Auswirkungen auf den Metabolismus der gesamten Zelle besitzt und der Fettsäure-Import eine entscheidende Schnittstelle darstellt. In zahlreichen Publikationen wurde gezeigt, dass die Funktion des PXA1-Transporters essentiell für die Keimlingsentwicklung ist. Über die Funktion dieses Transporters während der vegetativen Wachstumsphase ist dagegen wenig bekannt. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Auswirkungen eingeschränkten Fettsäureimports in die Peroxisomen während einer verlängerten Dunkelphase untersucht. Eine Verlängerung der Dunkelphase führte bei Pflanzen mit inaktiviertem PXA1 Transporter zum vollständigen Absterben, während die Wildtyp-Pflanzen zu diesem Zeitpunkt keine Symptome zeigten. Erste visuelle Symptome in Form von Blattläsionen wurden nach nur wenigen Stunden Dunkelheit beobachtet. Längere Dunkelphasen führten zum vollständigen Zusammenbruch der Epidermis. Eine massive Welke setzte trotz ausreichender Wasserversorgung ein. Unsere Studien zeigten, dass aufgrund eingeschränkter β-Oxidation die Konzentration von freien Fettsäuren im Blatt dramatisch ansteigt. Der Detergenz-Charakter der freien Fettsäuren führte zu gravierenden strukturellen Schäden der Chloroplasten und anschließendem Zelltod. Da dieser Phänotyp durch Zugabe exogener Saccharose unterdrückt werden kann, lässt sich vermuten, dass die Freisetzung und Metabolisierung von Fettsäuren als Kompensationsmechanismus bei Engpässen der Energieversorgung während langanhaltender Dunkelheit dient. Aufgrund unserer Studien konnte gezeigt werden, dass die β-Oxidation in adulten Pflanzen essentiell für die Aufrechthaltung der Energieversorgung bei einer verlängerten Dunkelphase ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2008). Mutants of Saccharomyces cerevisiae deficient in acyl-CoA synthetases secrete fatty acids due to interrupted fatty acid recycling. FEBS J. 275(11): 2765-2778
Scharnewski M, Pongdontri P, Mora G, Hoppert M, Fulda M
- (2009). The ABC transporter PXA1 and peroxisomal beta-oxidation are vital for metabolism in mature leaves of Arabidopsis during extended darkness. Plant Cell 21(9):2733-2749
Kunz HH, Scharnewski M, Feussner K, Feussner I, Flügge UI, Fulda M, Gierth M
- (2010). Nocturnal energy demand in plants: Insights from studying mutants impaired in betaoxidation. Plant Signal Behav. 5(7): 842-844
Kunz HH, Scharnewski M, von Berlepsch S, Shahi S, Fulda M, Flügge UI, Gierth M
