Glucosinolathydrolyse in Pflanzen - die Rolle spezifizierender Proteine

• Antragstellerin: Professorin Dr. Ute Wittstock
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 150734515

Das Glucosinolat-Myrosinase-System ist ein aktiviertes chemisches Abwehrsystem der Brassicaceae und verwandter Pflanzenfamilien. Es setzt sich aus nicht toxischen Glucosinolaten und ihren hydrolytischen Enzymen, den Myrosinasen, zusammen, die im pflanzlichen Gewebe getrennt voneinander gespeichert werden. Bei Gewebeverletzung werden beide Komponenten gemischt und es kommt zum Abbau der Glucosinolate durch die Myrosinasen unter Bildung biologisch aktiver Produkte. Zu diesen Produkten zählen die Isothiocyanate, die auf Grund ihrer Toxizität gegenüber einer Vielzahl unterschiedlicher Organismen für die Verteidigungsfunktion des Glucosinolat-Myrosinase-Systems verantwortlich gemacht werden. Trotz des effektiven Schutzes durch Isothiocyanate haben Pflanzen eine Gruppe von Proteinen hervorgebracht, die spezifizierende Proteine genannt werden und die Bildung anderer Produkte bewirken. In Abhängigkeit von der Struktur der Seitenkette des Glucosinolats und der Art des spezifizierenden Proteins können aus einem Glucosinolat bis zu vier verschiedene Typen von Abbauprodukten entstehen. Bisher wird weder die biologische Funktion der spezifizierenden Proteine noch ihr biochemischer Mechanismus gut verstanden. Basierend auf der in der vorigen Förderperiode erhaltenen Kristallstruktur des Thiocyanat-formenden Proteins aus Thlaspi arvense (Brassicaceae; TaTFP) verfolgt das vorgeschlagene Projekt das Ziel, die Mechanismen der spezifizierenden Proteine aufzuklären und ihre Interaktion mit der Myrosinase genauer zu charakterisieren. Dazu soll die Bindung des Fe2+-Kofaktors nachgewiesen werden. Auf der Basis quantenmechanischer Berechnungen sollen mögliche Reaktions- und Katalysemechanismen für spezifizierende Proteinen mit unterschiedlicher Spezifität vorgeschlagen werden, die durch die biochemische Charakterisierung von Mutanten überprüft werden. Dabei soll u.a. getestet werden, ob Schleifen-Schleifen-Interaktionen zwischen TaTFP und Myrosinase die Reaktionsspezifität beeinflussen. Die Kontaktstellen zwischen TaTFP und Myrosinase sollen durch die Kombination von Moleküldynamik-Rechnungen und biochemisch-analytischen Untersuchungen identifiziert werden. Zudem soll die Interaktion zwischen TaTFP und Myrosinase durch physikochemische Methoden quantitativ analysiert und mittels bimolekularer Fluoreszenzkomplementierung in planta nachgewiesen werden. Die Ergebnisse des Projektes werden uns helfen, die Frage zu beantworten, wie strukturelle Diversität auf der Ebene der Glucosinolathydrolyse erzeugt wird. Langfristig werden die gewonnen Erkenntnisse zu einem besseren Verständnis der Evolution des pflanzlichen Sekundärstoffwechsels beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen