Der Desoxy-Pyrimidin-Stoffwechsel während der Keimung

• Antragsteller: Dr. Marco Herde
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 342656586

Die Keimung von Samen ist ein nur in Pflanzen vorkommender Prozess, und die Lebensfähigkeit der Samen sowie die Vitalität der Keimlinge sind für die Landwirtschaft von großer Bedeutung. Während andere Phänomene wie die Remobilisierung von Speicherstoffen während der Keimung gut untersucht sind, ist über den Stoffwechsel der Desoxyribonukleotide (dNT) weniger bekannt, was zum Teil auf technische Herausforderungen bei der Analyse dieser Metabolite in Pflanzen zurückzuführen ist. Wir haben eine Methode für die Messung und Quantifizierung von Nukleotiden in Pflanzen entwickelt, und haben diese zur Analyse von dNT und Desoxyribonukleosiden (dNs) im zeitlichen Verlauf der Keimung und der Etablierung von Keimlingen verwendet. Im Mittelpunkt stand die Synthese von Thymidylaten (die für den „T"-Baustein in der DNA verantwortlich sind) und mit Hilfe von Mutanten, denen Enzyme für die Thymidylatsynthese fehlen, haben wir den Beitrag aller Prozesse, die zur Bildung von Thymidylaten führen, evaluiert. Insbesondere die Phosphorylierung des Nukleosids Thymidin (dT) in Chloroplasten ist entscheidend für die Synthese von Thymidylaten und ein Defekt im entsprechenden Enzym führt zu verminderter DNA-Synthese im Chloroplasten während der Etablierung des Keimlings. Dieser Befund ist erstaunlich, da dT keine Rolle im bisherigen Modell des Syntheseweges hat. Unterschiedliche Ansätze lassen den Schluss zu, dass die Synthese der Thymidylate über dT verläuft – und es gibt Hinweise, dass eine dN-Zwischenstufe auch für die Synthese anderer dNTs wichtig sein könnte. Wir haben ein Enzym (VENOSA 4) identifiziert, das dT mit dem bekannten Teil des Syntheseweges verbindet. Ein ähnlicher Prozess dient dazu Nukleotide, die während der DNA Reparatur freigesetzt werden, in dT umzuwandeln. Auch für diesen Schritt haben wir mögliche Kandidaten mit ersten Experimenten identifiziert. Wir vermuten auch, dass ein zusätzlicher „Umweg“ an der Bereitstellung des Substrats für die „T“-Biosynthese beteiligt ist, was darauf hindeutet, dass es sich um ein allgemeineres Konzept handelt mit Auswirkungen auf das aktuelle Lehrbuchwissen. Der hier beschriebene "Umweg" in der Synthese über dT verbraucht metabolische Energie und erscheint auf den ersten Blick nachteilig. Das Projekt soll aufzeigen, warum dieser "Umweg" möglicherweise dennoch einer positiven Selektion unterliegt. Dabei stehen zwei Konzepte im Vordergrund: (I) Der "Umweg“ über dT ist ein Korrekturmechanismus, der eine Entfernung geschädigter Thymidylate (z. B. durch Oxidation) erlaubt und (II) dT stellt eine Transportform für Thymidylate dar, die einen erleichterten Austausch zwischen den Chloroplasten und dem Zytosol ermöglicht. Dieses Projekt soll ein umfassendes Modell für die komplexe dNT-Synthese liefern, den Stoffwechselweg der Thymidylat-Biosynthese vollständig aufklären und aufzeigen, wie die Pflanze in der Lage ist, qualitativ hochwertige dNTs jederzeit in den korrekten Mengen bereitzustellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen