Regulation pflanzlicher Membrantransportproteine
Final Report Abstract
Regulation des Kaliumkanals AKT2: AKT2 ist einzigartig unter den Kaliumkanälen der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Dieser Kanal hat außergewöhnliche Schalteigenschaften, die durch ein komplexes Spektrum an post-translationalen Modifikationen reguliert werden. In ersten Einblicken konnten Ca2+-abhängige Proteinkinasekomplexe identifiziert werden, die zum regulatorischen Netzwerk gehören. Darüber hinaus wurde in einer systembiologischen Kombination aus Laborexperimenten mit Computersimulationen eine wichtige physiologische Rolle von Ionenkanälen des AKT2-Typs herausgearbeitet. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Regulation der Schalteigenschaften von AKT2 eine Kaliumbatterie an- und ausgeschaltet werden kann. Diese Kaliumbatterie trägt zur Energetisierung der Phloem-(Re)Beladung bei. Der Beitrag der Kaliumbatterie wird besonders deutlich, wenn der Energiestatus der Pflanze verringert ist. Der Kaliumkanal AKT2 trägt somit zur lokalen und temporären Aufrechterhaltung der Energiesicherheit unter ständig wechselnden Umweltbedingungen bei. Die Studien beweisen, dass auch in Pflanzen die Energiesicherheit durch einen ausgeklügelten Energiemix gewährleistet wird. Die bisher vorherrschende Meinung, Membran-Transportprozesse in Pflanzen würden ausschließlich unmittelbar durch die „proton motive force“ angetrieben, wird durch die Ergebnisse widerlegt. Die Forschungsergebnisse, die am Kaliumkanal AKT2 gewonnen wurden, haben bereits Eingang in das renommierte Lehrbuch „Marschner’s Mineral Nutrition of Higher Plants“ gefunden. Ihnen wurde das Unterkapitel Chapter 6 – Functions of Macronutrients / 6.6. Potassium / 6.6.8. Energy Transfer gewidmet. Heteromerisierung pflanzlicher Kaliumkanäle: Die Zusammenlagerung verschiedener Kaliumkanaluntereinheiten zu Heterotetrameren ermöglicht es Pflanzen, eine Vielzahl an funktionell leicht unterschiedlicher Kaliumkanalvarianten durch die Expression weniger Gene zu generieren. Lange wurde die Existenz solcher heteromerer Kaliumkanäle in Pflanzen angezweifelt. Nun konnte die Existenz eindeutig bewiesen werden. Regulation auswärtsgleichrichtender Kaliumkanäle durch ROS (reactive oxygen species): In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von M.R.Blatt (University of Glasgow, Großbritannien) konnte in auswärtsgleichrichtenden Kaliumkanälen (Kout) ein hoch konserviertes Cystein lokalisiert werden, das für die Aktivierung dieser Kanäle durch H2O2 verantwortlich ist. Dies ist eines der wenigen Beispiele, in denen die direkte Regulation eines Proteins durch ROS gezeigt werden konnte. Die Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten, um die physiologische Bedeutung dieser Redox-Regulation in Pflanzen zu untersuchen. Der pH-sensor einwärtsgleichrichtender Kaliumkanäle: Einwärtsgleichrichtende Kaliumkanäle (Kin Kanäle) reagieren auf den extrazellulären pH mit einer pH-anhängigen Einstellung des Aktivierungsniveaus. In früheren Studien konnte gezeigt werden, dass Bereiche in der Porenregion und in der Nähe des Spannungssensors an dieser Regulation beteiligt sind (Hoth et al., 1997, PNAS 94:4806-4810). Damals wurden ausschließlich Histidine als pH-Sensoren identifiziert. In neueren Studien konnte nun in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universidad de Talca, Chile, in einem interdisziplinären Ansatz quantenmechanische Wechselwirkungen zwischen den Atomen einzelner Aminosäuren mit makroskopischen physiologischen Konsequenzen korreliert werden. Es zeigte sich, dass nicht einzelne Aminosäuren sondern eine Bandbreite an diesem Sensorprozess beteiligt sind. Die „Sensorwolke“ erstreckt sich von der Porenregion bis zum Spannungssensor. Die Gleichrichtung pflanzlicher Kaliumkanäle: Pflanzliche Kin und Kout Kanäle zeigen trotz starker strukturellen Ähnlichkeiten eine fundamental entgegengesetzte Antwort auf die Membranspannung. Kin Kanäle öffnen mit negativer werdenden Spannungen und erlauben der Zelle die Aufnahme von K+, während Kout Kanäle bei positiver werdenden Spannungen öffnen und die K+-Abgabe ermöglichen. Die Kin und Kout Prototypen KAT1 und SKOR sind zu 30% identisch. In verschiedenen Experimenten konnten zwischen KAT1 und SKOR Bereiche ausgetauscht werden, ohne die Grundeigenschaften des Empfängerkanals zu stören. Die erzielten Ergebnisse erlauben noch nicht, die Frage nach der Ursache der unterschiedlichen Gleichrichtungseigenschaften zu beantworten. Sie sind jedoch ein großer Schritt auf diesem Weg. Molekulare Evolution pflanzlicher Ionentransporter: In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern aus Deutschland, Spanien und Kolumbien wurde die molekulare Evolution pflanzlicher Ionentransporter untersucht. Hierzu wurde mit bioinformatorischen Ansätzen in den verfügbaren Genomen nach diesen Transportern gesucht und anschließend phylogenetische Analysen durchgeführt. Es zeigte sich am Beispiel pflanzlicher Kaliumkanäle ein bemerkenswertes Phänomen. Beim Übergang vom Wasser zum Land kollabiert die strukturelle Vielfalt dieser Proteinklasse. Alle spannungsregulierten Kaliumkanäle in Landpflanzen entwickelten sich aus einem einzigen Vorläufer. Umso erstaunlicher ist die heute zu beobachtende funktionelle Vielfalt in dieser Klasse. In einem weiteren Projekt wurde die molekulare Evolution pflanzlicher Anionenkanäle des SLAC- und des QUAC-Typs untersucht. Auch hier stellte sich insbesondere bei den SLAC-ähnlichen Kanälen heraus, dass sich die strukturelle Vielfalt beim Übergang Wasser-Land stark reduzierte und die Evolution mit einem begrenzten Satz an Genen fortschritt. Vakuolärer Protonentransport: Die Protonenpumpe in der Vakuole muss unter verschiedensten Bedingungen Protonen aus dem Zytosol in die Vakuole transportieren; teilweise auch gegen einen extrem großen Gradienten. Anhand von Modellüberlegungen konnte nun das Verhalten der vakuolären H+-ATPase bei verschiedenen zytosolischen und vakuolären pH-Werten erklärt werden. Dieses Membranprotein kann ähnlich einer Gangschaltung im Auto die „Übersetzung“ ändern; d.h. bei einem großen pH-Gradienten wird mehr Energie in Form der ATP-Hydrolyse verbraucht als bei einem kleinen Gradienten. Die zytosolische und vakuoläre Protonen Konzentration justieren die Gangschaltung der H+-ATPase. Glukosinolattransport in Pflanzen: Glucosinolate ( = Senfölglykoside) kommen vor allem in Pflanzen aus der Familie der Kreuzblütler (Bras-sicaceae) vor. Fressen Raupen oder andere Insekten an glucosinolathaltigen Pflanzen wie Brokkoli, kommen die Glucosinolate in Kontakt mit dem Enzym Myrosinase. Dieses Enzym setzt die Senföle frei, die dann Schädlinge vertreiben. Besonders in Blättern und Samen häufen Pflanzen große Mengen von Glucosinolaten an. Die Blätter können die Abwehrstoffe selber herstellen, die heranreifenden Samen jedoch nicht. Sie müssen die Glucosinolate importieren, was nicht ohne spezielle Transportproteine geht. Über diese lebenswichtigen Transporter und ihre Gene war bisher fast nichts bekannt. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlerteam aus Kopenhagen und Würzburg konnte diese identifiziert und der Transportmechanismus aufgeklärt werden.
Publications
- (2008). Heteromeric K+ channels in plants. Plant J. 54, 1076-1082
Lebaudy A, Hosy E, Simonneau T, Sentenac H, Thibaud JB, Dreyer I
- (2008). Plant adaptation to fluctuating environment and biomass production are strongly dependent on guard cell potassium channels. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105:5271-5276
Lebaudy A, Vavasseur A, Hosy E, Dreyer I, Leonhardt N, Véry AA, Simonneau T, Sentenac H
- (2009). Distinct influence of the last transmembrane domain on the gating of the K in channel KAT1 and the Kout channel SKOR. New Phytol. 182:380-391
Gajdanowicz, P., Garcia-Mata, C., Sharma, T., Gonzalez, W., Morales-Navarro, S.E., González-Nilo, F.D., Gutowicz, J., Mueller-Roeber, B., Blatt, M.R., and Dreyer, I.
- (2009). What makes a gate? The ins and outs of Kv-like K+ channels in plants. Trends Plant Sci. 14, 383-390
Dreyer I, Blatt MR
- (2010) A minimal cysteine motif required to activate the SKOR K+ channel of Arabidopsis by the reactive oxygen species H2O2. Journal of Biological Chemistry, Vol. 285. 2010, pp. 29286-29294.
Garcia-Mata C, Wang J, Gajdanowicz P, Gonzalez W, Hills A, Donald N, Riedelsberger J, Amtmann A, Dreyer I, Blatt MR
(See online at https://dx.doi.org/10.1074/jbc.M110.141176) - (2010) Preferential KAT1-KAT2 heter-omerization determines inward K+ current properties in Arabidopsis guard cells. Journal of Biological Chemistry, Vol. 285. 2010 , pp 6265-6274.
Lebaudy A, Pascaud F, Véry AA, Alcon C, Dreyer I, Thibaud JB, Lacombe B
(See online at https://dx.doi.org/10.1074/jbc.M109.068445) - (2010) Roles of tandem-pore K+ channels in plants – a puzzle still to solve. Plant Biology, Special Issue: Dynamics and Regulation of Plant Membrane Transport, 2010, Vol. 12, Issue Supplement s1, pp 56–63.
Voelker C, Gomez-Porras JL, Becker D, Hamamoto S, Uozumi N, Gambale F, Mueller-Roeber B, Czempinski K, Dreyer I
(See online at https://dx.doi.org/10.1111/j.1438-8677.2010.00353.x) - (2010). Distributed structures underlie gating differences between the K in channel KAT1 and the Kout channel SKOR. Mol. Plant 3:236-245
Riedelsberger J, Sharma T, Gonzalez W, Gajdanowicz P, Morales-Navarro SE, Garcia-Mata C, Mueller-Roeber B, González-Nilo FD, Blatt MR, Dreyer I
- (2011) Calcium-dependent modulation and plasma membrane targeting of the AKT2 po-tassium channel by the CBL4/CIPK6 calcium sensor/protein kinase complex. Cell Research, Vol. 21. 2011, pp. 1116-1130.
Held K, Pascaud F, Eckert C, Gajdanowicz P, Hashimoto K, Corratgé-Faillie C, Offenborn JN, Lacombe B, Dreyer I, Thibaud JB, Kudla J
(See online at https://dx.doi.org/10.1038/cr.2011.50) - (2011) Keine Wunder – Keine Monster, Grüne Gentechnik und Ernährung. Berliner Republik, Vol. 2/2011, pp.44-47.
Dreyer I, Müller-Röber B
- (2011) Potassium channels in plant cells. FEBS Journal, Vol, 278. 2011, Issue 22, pp. 4293–4303.
Dreyer I, Uozumi N
(See online at https://dx.doi.org/10.1111/j.1742-4658.2011.08371.x) - (2011) The K+ battery-regulating Arabidopsis K+ channel AKT2 is under the control of multiple post-translational steps. Plant Signaling & Behavior, Vol. 6. 2011, Issue 4, pp. 558–562.
Sandmann M, Skłodowski K, Gajdanowicz P, Michard E, Rocha M, Gomez-Porras JL, Gonzalez W, Guedes-Corrêa LG, Ramírez-Aguilar SJ, Cuin TA, van Dongen JT, Thibaud JB, Dreyer I
(See online at https://dx.doi.org/10.4161/psb.6.4.14908) - (2011) The Selaginella Genome Identifies Genetic Changes Associated with the Evolution of Vascular Plants. Science 332:960-963.
Science, 2011, Vol. 332, no. 6032, pp. 960-963.
Banks JA, Nishiyama T, Hasebe M, Bowman JL, Gribskov M, Depamphilis C, Albert VA, Aono N, Aoyama T, Am-brose BA, Ashton NW, Axtell MJ, Barker E, Barker MS, Bennetzen JL, Bonawitz ND, Chapple C, Cheng C, Correa LG, Dacre M, Debarry J, Dreyer I, Elias M, Engstrom EM, et al.
(See online at https://dx.doi.org/10.1126/science.1203810) - (2011). Potassium (K+) gradients serve as a mobile energy source in plant vascular tissues. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 108:864-869
Gajdanowicz P, Michard E, Sandmann M, Rocha M, Guedes-Corrêa LG, Ramírez-Aguilar SJ, Gomez-Porras JL, Gonzalez W, Thibaud JB, van Dongen JT, Dreyer I
- (2012) Luminal and cytosolic pH feedback on proton pump activity and ATP affinity of the V-type ATPase from Ara-bidopsis. Journal of Biological Chemistry, Vol. 287. 2012, pp. 8986-8993.
Rienmüller F, Dreyer I#, Schönknecht G, Schulz A, Schumacher K, Nagy R, Martinoia E, Marten I, Hedrich R#
(See online at https://doi.org/10.1074/jbc.M111.310367) - (2012) Molecular evolution of slow and quick anion channels (SLACs and QUACs/ALMTs). Frontiers in plant science, 2012, Vol.3(263), pp. 1-12.
Dreyer I, Gomez-Porras JL, Riaño-Pachón DM, Hedrich R, Geiger D
(See online at https://doi.org/10.3389/fpls.2012.00263) - (2012) NRT/PTR transporters essential for allocation of glucosinolate defense com-pounds to seeds. Nature, 2012, Vol. 488, pp.531-534.
Nour-Eldin, H.H., Andersen, T.G., Burow, M., Madsen, S.R., Jørgensen, M.E., Olsen, C.E., Dreyer, I., Hedrich, R., Geiger, D., Halkier, B.A.
(See online at https://doi.org/10.1038/nature11285) - (2012) Phylogenetic analysis of K+ transporters in bryophytes, lycophytes, and flowering plants indicates a specialization of vascular plants. Frontiers in plant science, 2012, Vol.3 pp.167.
Gomez-Porras, J.L., Riaño-Pachón, D.M., Benito, B., Haro, R., Sklodowski, K., Rodríguez-Navarro, A., Dreyer, I.
(See online at https://doi.org/10.3389/fpls.2012.00167) - (2012) Structure-Function Correlates in Plant Ion Channels. In: Edward H. Egelman, editor: Comprehensive Biophysics, Vol 6, Channels Proteins, Mauricio Montal. Oxford: Academic Press, 2012. pp. 234-245.
Uozumi N, Dreyer I
- (2012). The pH-sensor of the plant K+ uptake channel KAT1 is built of a sensory cloud rather than of single key amino acids. Biochem. J. 442:57-63
Gonzalez W, Riedelsberger J, Morales-Navarro SE, Caballero J, Alzate-Morales JH, González-Nilo FD, Dreyer I
(See online at https://doi.org/10.1042/BJ20111498)
