Wie ein pflanzlicher Proteinschalter Wasserknappheit abmildern kann
Ob extreme Hitze, Dürre oder Überschwemmungen – der Klimawandel hat verheerende Auswirkungen auf Pflanzen. Tatsächlich könnten laut einer Studie(öffnet in neuem Fenster) könnten bis zu 16 % der Pflanzenarten mehr als 90 % ihres Verbreitungsgebiets verlieren – was sie einem hohen Aussterberisiko aussetzt. Aber diese Zukunft steht noch nicht fest. Durch evolutionäre Anpassung können Pflanzen ihre Überlebenschancen erhöhen. Betrachten wir zur Veranschaulichung, wie Pflanzenzellen das PYL1-Rezeptorprotein nutzen. „Durch die Erkennung von Abscisinsäure, einem Pflanzenhormon, das sich bei Wassermangel anreichert, kann dieser Rezeptor einer Pflanze helfen, sich an Trockenheitsbedingungen anzupassen“, erklärt Max Stammnitz, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Zentrum für Genomregulierung(öffnet in neuem Fenster). Dies ist nur ein Beispiel dafür, wie eine Pflanze mithilfe eines molekularen Schalters besser auf eine sich verändernde Umgebung reagieren kann. „Obwohl viele biologische Systeme von molekularen Schaltern abhängen, verstehen wir noch immer nicht vollständig, wie ihre Eigenschaften der Signalverarbeitung in der Proteinsequenz kodiert sind“, so Stammnitz weiter. Mit Unterstützung des EU-finanzierten DeepGlue-Projekts wollte Stammnitz dies herausfinden. „Wir wollten wissen, wie Mutationen das Verhalten allosterischer Hormonrezeptoren beeinflussen – jener Proteine, die chemische Signale in zelluläre Reaktionen umwandeln“, fährt er fort. Das Projekt, das durch die Marie Skłodowska-Curie Maßnehmen(öffnet in neuem Fenster) gefördert wurde, verfolgte einen experimentellen Ansatz, der es den Forschenden ermöglichte zu quantifizieren, wie Tausende von Mutationen das vollständige Dosis-Wirkungs-Verhalten des Rezeptors verändern. Insgesamt wurden mehr als 40 000 quantitative Messungen durchgeführt, was zu einer nahezu vollständigen Übersicht darüber führte, wie Aminosäureveränderungen die Aktivierungsfunktion des Rezeptors beeinflussen.
Wie Mutationen das Verhalten eines Rezeptorproteins verändern
Auf der Grundlage dieser Arbeit stellten die Forscher fest, dass fast 90 % der Mutationen das Dosis-Wirkungs-Verhalten des PYL1-Hormonrezeptors veränderten – wobei sich Empfindlichkeit, Grundaktivität und maximale Reaktion oft in miteinander zusammenhängender Weise veränderten. Sie stellten außerdem fest, dass sich viele dieser Effekte durch Veränderungen in der Stabilität der Rezeptorproteine erklären lassen. „Wir haben gezeigt, dass Mutationen nicht nur die Funktionsfähigkeit eines Rezeptorproteins beeinflussen, sondern auch dessen Reaktion über einen bestimmten Konzentrationsbereich des chemischen Induktors hinweg“, erklärt Stammnitz. Das Projekt zeigte außerdem, dass über die Auswirkungen auf die Proteinstabilität hinaus einzelne Signalparameter unabhängig voneinander angepasst werden können, unter anderem durch allosterische Mutationen, die weit von der Protein-Hormon-Schnittstelle entfernt liegen. Besonders bemerkenswert war vielleicht, dass selbst seltene Einzelaustausche von Aminosäuren qualitativ neue Verhaltensweisen hervorbrachten, darunter invertierte Aktivierungsfunktionen und Bandstopp-Aktivierungsfunktionen. Weitere Einzelheiten zu den Ergebnissen des Projekts finden sich in einem in „Nature Communications“(öffnet in neuem Fenster) veröffentlichten Artikel.
Forschung könnte eine klimaresiliente Landwirtschaft fördern
Laut Stammnitz hat DeepGlue konzeptionell gezeigt, dass Proteinschalter keine „starren Vorrichtungen“ sind, sondern evolutionär formbare Systeme, deren quantitatives Verhalten durch Mutationen umfassend umgestaltet werden kann. „Unsere Arbeit liefert einen Rahmen und einen Datensatz für die Entwicklung allosterischer Rezeptoren und für die Interpretation, wie sich Variationen in der genetischen Sequenz auf die zelluläre Signalübertragung auswirken“, fährt er fort. Dieses Rahmenwerk könnte für die Landwirtschaft von besonderem Interesse sein, da es Landwirten bei der Entwicklung klimaresistenter Nutzpflanzen der neuen Generation helfen könnte. „Zahlreiche Forschungs- und Industriegruppen weltweit versuchen bereits, diese molekularen Reaktionen im Zusammenhang mit dem Klimawandel besser zu verstehen und zu beeinflussen“, so Stammnitz abschließend. Die Forschenden weiten derzeit ihre Experimente zum Deep Mutational Scanning aus, um die Dosis-Wirkungs-Charakteristika von Mutanten in verschiedenen chemisch induzierbaren Proteinsystemen zu vergleichen.
