Enzym-Substratbindung in der N-Ende-Regel des gerichteten Proteinabbaus

• Antragsteller: Professor Dr. Nico Dissmeyer
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 279338303

Nicht Gene, sondern Eiweißmoleküle (Proteine), deren räumliche Struktur im Erbgut festgelegt ist, repräsentieren die eigentlichen Funktionsträger der Zelle. Die Analyse von Proteinen als einer der Hauptbestandteile aller lebenden Zellen, ist daher eine der wichtigsten Aufgaben in der Biologie, Biotechnologie und Medizin. Solche Proteine spielen zentrale Rollen beispielsweise als Stütz- und Lagerkomponenten (Zellskelett, Energiespeicher), als biochemische Katalysatoren (Reaktionsbeschleuniger) und als "Biosynthesefabriken" für eine Vielzahl weiterer Proteine und deren Modifikationen, sowie als Signalmoleküle. Es ist von immanenter Bedeutung, dass die Gesamtheit der Proteine (das Proteom) in einem physiologisch funktionsfähigen Gleichgewicht gehalten wird. Das bedeutet, dass 1) die Konzentration und Abundanz von Proteinen reguliert werden muss und 2) deren Abbau sofern notwendig. Wir befassen uns mit einem sehr speziellen Abbauweg, gewissermaßen der Entsorgung, von Proteinen. Proteinerkennung und -abbau beinhalten als zellbiologisch-biochemische Prozesse eine Vielzahl von weiteren enzymatisch aktiven und anderweitig interagierenden (nicht-enzymatischen) Proteinen und verbrauchen einen großen Teil der intrazellulär verfügbaren Energie. Beispielsweise erkennt die sogenannte N-Ende-Regel spezifisch Proteine, die abgebaut werden müssen, da deren Wirkzeit abgelaufen ist oder sie zelltoxisch geworden sind. Wir beschäftigen uns mit diesem Signal- und Abbauweg, der Teil des sogenannten Ubiquitin-Proteasom-Systems und damit der Proteinqualitätskontrolle ist. Dazu bedienen wir uns des derzeit bestuntersuchten pflanzlichen Modellsystems, dem Kreuzblütler und Kohlgewächs Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana). Momentan ist nur sehr wenig über abbauende enzymatische Komponenten der pflanzlichen N-Ende-Regel bekannt und dazu lediglich eine sehr geringe Anzahl abzubauender Proteine, die sogenannten Substrate. Aktuelle Fachpublikationen deuten darauf hin, dass gerade diese, die Proteinstabilität regulierende Prozesse, zentrale Einflüsse auf entwicklungsbiologische und zellbiologische Abläufe haben. Sie dienen der molekularen Kommunikation der Pflanze im Innern und nach außen mit ihrer Umwelt; konkret bei der Infektion von Pflanzen mit Krankheitserregern, bei Überflutungen, in der Zellteilung, Samenkeimung und Speicherstoffmobilisierung, also allesamt in Gebieten mit hoher Relevanz für Grundlagen- und angewandte Forschung in Pflanzen, aber auch in der pflanzenbasierten Biotechnologie und Landwirtschaft. Die vorgestellten Projekte drehen sich in erster Linie um die Untersuchung einer sogenannte E3-Ubiquitin-Proteinligase mit dem Namen PROTEOLYSIS 1, welche Proteinsubstrate erkennen und dem Abbau zuführen kann. Die Studien haben das Ziel, diesen Erkennungsmechanismus durch Enzyme der N-Ende-Regel zu charakterisieren und erstmals eine funktionellen Analyse von enzymatischen Komponenten dieses molekularen Mechanismus der Proteinmodifikation in Pflanzen zu leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen