Biosynthesis of ceramide pools with specific structure in plants and fungi

• Antragsteller: Dr. Philipp Ternes
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2008 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 69978084

• Erstellungsjahr: 2010

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Sphingolipide sind essentielle Membranbestandteile aller eukaryotischen Organismen. Zwischenprodukte ihres Stoffwechsels wie Ceramid haben außerdem wichtige Funktionen bei der Signalübermittlung. In diesem Projekt haben wir gezeigt, dass Pflanzen und Pilze jeweils zwei strukturell verschiedene Ceramidpools besitzen, die sich durch die Hydroxylierung der Sphingobase und die Kettenlänge der mit ihr verknüpften Fettsäure unterscheiden. Ceramid wird durch das Enzym Ceramidsynthase gebildet, von dem die meisten Eukaryoten, einschließlich Pflanzen und Pilzen, mehrere Isoformen besitzen. Durch Bestimmung der bevorzugten Substrate von LOH1, LOH2 und LOH3 aus der Pflanze Arabidopsis thaliana und von Bar1p aus der Hefe Pichia pastoris sowie durch Analyse der Ceramid- und Glucosylceramidzusammensetzung der entsprechenden T-DNA-Insertionslinien von A. thaliana und eines bar1Δ-Stammes von P. pastoris konnten wir zeigen, dass jede dieser Ceramidsynthase- Isoformen spezifisch an der Biosynthese eines der beiden Ceramidpool beteiligt ist. In P. pastoris zeigte sich, dass der Ceramidpool mit der C16 –C18-Fettsäure die alleinige Vorstufe der Glucosylceramid-Biosynthese ist. Eine Analyse weiterer Knockout-Stämme von P. pastoris zeigte, dass die Umwandlung dieses Pools in Glucosylceramid von zwei weiteren Strukturmerkmalen abhängt, der Δ4-Desaturierung der Sphingobase und der α-Hydroxylierung der Fettsäure. Überraschenderweise zeigte die A. thaliana-T-DNA-Insertionslinie loh1 bei längerer Kultivierung unter Kurztagbedingungen (8 h Licht, 16 h Dunkelheit) spontanen Zelltod. Dieser Phänotyp war verbunden mit einer verstärkten Expression des pathogenitätsabhängigen Gens PR-1, aber nicht des seneszenzabhängigen Gens SAG12. Eine Analyse der Lipidzusammensetzung der loh1-Linie zeigte, dass bei gleichzeitiger Abnahme der Ceramidund Glucosylceramidspezies mit C22–C28-Fettsäure die Spezies mit C16-Fettsäure zunahmen. Dies legt die Vermutung nahe, dass der spontane Zelltod durch ein Ungleichgewicht zwischen diesen beiden strukturell verschiedenen Ceramid- und Glucosylceramidpools hervorgerufen wird.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Biosynthesis of Sphingolipids in Plants (and Some of Their Functions). In: Sphingolipids as Signaling and Regulatory Molecules. Edited by C. Chalfant und M. Del Poeta. Landes Bioscience, Austin, TX, U.S.A. (2010)
  S. Zäuner , P. Ternes and D. Warnecke
  
• A Ceramide Pool with Clearly Defined Structural Features Is the Substrate for Glucosylceramide Biosynthesis in the Yeast Pichia pastoris. Journal of Biological Chemistry
  P. Ternes, T. Wobbe , M. Schwarz , S. Albrecht, K. Feussner , I. Riezman , J. M. Cregg , E. Heinz , H. Riezman , I. Feussner , and D. Warnecke