Biochemische Charakterisierung der Funktion von PARPs und pseudo-PARPs in der pflanzlichen Antwort auf biotischen und abiotischen Stress

• Antragsteller: Dr. Lennart Wirthmüller
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321374930

Um ihr Überleben zu sichern passen Pflanzen sich kontinuierlich an abiotische und biotische Stressfaktoren der Umgebung an. Poly-ADP-Ribose-Polymerasen (PARPs) integrieren Informationen verschiedener Stress-Signale wie genotoxischem Stress oder Pathogeninfektion. PARPs katalysieren den kovalenten, post-translationalen Transfer von ADP-Riboseeinheiten auf sich selbst und Zielproteine. Ein Verständnis der Funktionen von PARPs in der Stressantwort wird dadurch erschwert, dass bisher keine Zielproteine bekannt sind. Die primäre Funktion der PARPs liegt in der Erkennung von DNA-Schäden und der nachgeschalteten Signalweiterleitung, es gibt jedoch Hinweise auf zusätzliche Funktionen in der Regulation von Stress-induzierten Genen. Pathogeninfektionen führen zu DNA-Schäden in Pflanzen. parp Mutanten sind insensitiv gegenüber der genotoxischen Substanz Bleomycin und wir zeigen, dass Bleomycin zu einem priming von Genen der Salizylsäure-vermittelten Immunität führt. Wir werden die Hypothese testen, dass PARPs durch ihre Funktion als Sensoren und Signalgeber in der DNA Reparatur zur pflanzlichen Immunität beitragen. Um ein besseres molekulares Verständnis von PARPs zu erlangen, werden wir PARP Zielproteine identifizieren und untersuchen, welche Aminosäuren von PARPs und Zielproteinen unter Stressbedingungen ADP-ribosyliert werden. Neben PARPs kodieren pflanzliche Genome für eine zusätzliche Proteinfamilie mit einer vorhergesagten PARP-Domäne. Diese Proteinfamilie basiert auf Arabidopsis RADICAL INDUCED CELL DEATH 1 (RCD1) und beeinflusst Stressreaktionen auf Salzstress und osmotischen Stress. Es wird diskutiert, ob RCD1 und verwandte Proteine enzymatische Aktivität zeigen. Wir haben die Kristallstruktur der PARP-Domäne von RCD1 aufgeklärt und liefern strukturelle und molekulare Evidenz dafür, dass RCD1 und sequenzverwandte Proteine keine ADP-Ribosyl-Transferaseaktivität aufweisen und daher als pseudo-PARPs klassifiziert werden können. Basierend auf der Struktur der RCD1 pseudo-PARP-Domäne werden wir molekulare Eigenschaften untersuchen, die aktive PARPs von pseudo-PARPs unterscheiden. Wir werden testen, ob das postulierte aktive Zentrum von RCD1 eine Rolle für die RCD1 Funktion in der abiotischen Stressantwort spielt. RCD1 und das Paralog SIMILAR TO RCD1 1 (SRO1) bilden Homo- und Heteromere, wahrscheinlich durch Interaktion ihrer N-terminalen WWE-Domänen. SRO1 ist zudem in der Lage, RCD1 in Pflanzenzellen zu stabilisieren. Wir werden auf Strukturebene untersuchen, wie RCD1 und SRO1 Homo- und Heteromere bilden und ob die Interaktionen die Funktion von RCD1 beeinflussen. Wir haben MUT9-ähnliche Kinasen (MLKs) als erste Proteininteraktoren von RCD1 aus Pflanzenzellen identifiziert. MLKs phosphorylieren Histon H3 und vermitteln dadurch transkriptionale Antworten auf Salzstress und osmotischen Stress. Wir werden analysieren, ob RCD1 zusammen mit MLKs Histon H3 Modifikationen in RCD1-abhängig regulierten Genen der abiotischen Stressantwort beeinflusst.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen