Pflanzenrezeptoren spiegeln unterschiedliche Lösungen für Signalprobleme wider

13. Juni 2011

Pflanzenrezeptoren spiegeln unterschiedliche Lösungen für Signalprobleme wider

Forscher des Salk Institute verfolgen die Wendungen der pflanzlichen Steroidsignale

13. Juni 2011

La Jolla – Vögel tun es, Bienen tun es und bei den meisten biologischen Dingen tun es sogar Pflanzen. Aber nicht unbedingt wie ihre tierischen Gegenstücke. Eine von Wissenschaftlern des Salk Institute durchgeführte Studie zeigt, dass ein pflanzlicher Rezeptor eines der grundlegendsten zellulären „Its“ – die Übertragung eines hormonellen Signals von außerhalb der Zelle an den Zellkern – auf völlig andere Weise erledigt als seine tierischen Cousins. Dieses Wissen könnte bei der Entwicklung von Techniken zur Beschleunigung des Pflanzenwachstums und zur Verbesserung der landwirtschaftlichen Produktion hilfreich sein.

In einer Studie, die am 12. Juni 2011 in der Online-Vorabausgabe der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur, ein Team unter der Leitung von Johanna Chory, Ph.D., Professor und Direktor des Plant Molecular and Cellular Biology Laboratory und Forscher am Howard Hughes Medical Institute, berichtet über die dreidimensionale Struktur eines pflanzlichen Steroidhormonrezeptors namens BRI1.

Seit Ende der 90er Jahre hat das Chory-Labor wegweisende Studien durchgeführt, die zeigen, dass pflanzliche und tierische Steroide auf ähnlichen Wegen hergestellt werden und dass Pflanzen wie Tiere Steroide nutzen, um größer zu werden, die sexuelle Entwicklung zu regulieren und die Physiologie zu kontrollieren.

Die neue Studie befasst sich mit der molekularen Analyse eines Rezeptors, der das pflanzliche Steroidsignal weiterleitet. „Unsere genetischen Studien haben zuvor gezeigt, dass pflanzliche Steroidrezeptoren im Gegensatz zu tierischen Steroidrezeptoren, die Steroide in Zellen binden, Membranproteine ​​sind, eine völlig andere Proteinklasse“, sagt Chory, Inhaber des Howard H. and Maryam R. Newman Chair in Plant Biologie. „Da wir nun die genauen Kontakte zwischen dem Steroid und seinem Rezeptor kennen, können wir vorschlagen, wie der BRI1-Rezeptor funktioniert.“

Die neue Arbeit beschreibt die atomare Struktur von BRI1 und überlagert sie dann mit einem entfernten strukturellen Cousin, dem Säugetiermembranprotein TLR3, das bei Mäusen und Menschen eine angeborene Immunantwort aktiviert. Die TLR3-Struktur wurde 2005 von Ian Wilson, Ph.D., Professor in der Abteilung für Molekularbiologie und Mitglied des Skaggs Institute am Scripps Research Institute (TSRI) und Mitautor der aktuellen Studie, bestimmt.

Der Vergleich bestätigt, dass die Domäne von BRI1, die durch die Zellmembran ragt und die extrazelluläre Umgebung überwacht, obwohl sie architektonisch den TLRs etwas ähnelt, Drehungen und Wendungen aufweist, die nur bei Pflanzen vorkommen. „Wir dachten, BRI1 würde wie TLR3 aussehen, das wie ein Hufeisen geformt ist“, sagt Michael Hothorn, Ph.D., Postdoktorand im Chory-Labor und Erstautor der Studie. „Aber stattdessen wurde BRI1 zu einer superhelikalen Spirale verdreht.“

Um diese Drehungen sichtbar zu machen, nutzte die Gruppe eine Technik namens Röntgenbeugung. Diese Methode erfordert, dass Wissenschaftler zunächst hochreine Kristalle der extrazellulären „Antenne“ BRI1 züchten – in diesem Fall aus der Senfpflanze Arabidopsis thaliana– und dann die Kristalle mit Röntgenstrahlen bombardieren. Die Art und Weise, wie Röntgenstrahlen vom Kristall abprallen oder von ihm „gebeugt“ werden, ermöglicht es Forschern, eine dreidimensionale, legoartige Darstellung der Architektur des Proteins in Gegenwart oder Abwesenheit eines Steroidaktivators zu konstruieren.

Eine Vorhersage war, dass strukturelle Veränderungen, die durch die Bindung des Brassinolid-Steroids verursacht werden, Konformationsänderungen ähneln könnten, die durch TLR vorgenommen werden, wenn es eine Immunantwort auslöst. „Wir wussten, dass, wenn das TLR3-Hufeisen einen Aktivator bindet, ein weiteres Hufeisen darauf geklebt wird“, sagt Hothorn. „Aber BRI1 enthält eine Inseldomäne, die zunächst Steroide an die verdrillte Struktur bindet und dann eine Plattform für die Interaktion und Weiterleitung des Signals für ein anderes Protein bietet.“

Obwohl die Aufgabe von Proteinen wie TLR3 und BRI1 darin besteht, Genexpressionsmuster als Reaktion auf Umweltreize zu verändern, spiegeln ihre strukturellen Unterschiede wahrscheinlich die Tatsache wider, dass es sich bei diesen Reizen um grundlegend unterschiedliche Moleküle handelt. „Bei Säugetieren ist TLR3 ein angeborener Immunrezeptor, der aktiviert wird, wenn große Liganden wie virale RNA an einen stark wiederholten Bereich namens LRR oder Leucine-Rich Repeat-Domäne binden“, sagt Wilson. „BRI1 ist ebenfalls ein LRR-Protein, aber seine Struktur ist hochspezialisiert, um kleinere pflanzliche Steroidhormone zu erkennen und darauf zu reagieren.“

„Michaels Strukturarbeit ist der letzte Baustein in der Mauer“, sagt Chory und weist darauf hin, dass BRI1 als Prototyp für eine große Klasse ähnlicher Proteine ​​dient, die in Pflanzen exprimiert werden. Interessanterweise ist BRI1 eine Ausnahme in dieser Familie: Während seine Aufgabe darin besteht, wachstumsfördernde Signale weiterzuleiten, stimulieren viele seiner Doppelgänger tatsächlich Immunreaktionen in Pflanzen und schützen sie so vor Insekten, Würmern oder Bakterien. Ob die Geschwisterrezeptoren von BRI1 eine solch verdrehte Struktur aufweisen, eröffnet neue Forschungsmöglichkeiten.

Viele gängige Herbizide wurden entwickelt, um die Struktur pflanzlicher Hormone nachzuahmen. „Da es sich bei Brassinosteroiden um Hormone handelt, können wir durch Kenntnis der Struktur ihres Rezeptors Herbizide rational entwickeln, die die Interaktion zwischen Hormon und Rezeptor blockieren könnten“, sagt Chory. „Damit könnten wir manipulieren, wie schnell Pflanzen wachsen und wie groß sie werden – Eigenschaften, die für Nutzpflanzen wichtig sind, die bald 10 Milliarden Menschen ernähren müssen.“

Zu der Arbeit trugen auch Youssef Belkhadir und Tsegaye Dabi vom Chory-Labor, Joseph Noel von Salk und Marlene Dreux vom Scripps Research Institute in La Jolla bei.

Die Arbeit wurde vom Howard Hughes Medical Institute, der National Science Foundation, der European Molecular Biology Organization, der International Human Frontier Science Program Organization, der Philippe Foundation, den National Institutes of Health und dem Skaggs Institute for Chemical Biology am TSRI unterstützt .

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.