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ProteasenProteases

Plasmamembrangebundene Proteasen in Pflanzenwurzeln und exsudierte Proteasen

 

Dr. Manuela Eick     Tim Wendlandt     Thiemo Karwinkel    Johanna Striesow    Prof. Christine Stöhr

 

Proteolytische Enzyme sind an unterschiedlichen Regulationsmechanismen des Stoffwechsels beteiligt und damit essentiell für den pflanzlichen Organismus. Dabei werden durch unbegrenzte Proteolyse Aminosäuren recycelt und für die Proteinsynthese verwendet. Defekte Proteine werden erkannt und entfernt sowie der Metabolismus durch Inaktivierung und Abbau definierter Proteine kontrolliert. Durch begrenzte Proteolyse hingegen kann die Aktivität von Enzymen und die Anwesenheit anderer Strukturproteine spezifisch und irreversibel reguliert werden (z.B. durch Umwandlung von Vorstufen in ihre aktive Form).

Proteasen wurden innerhalb der pflanzlichen Zelle in allen Kompartimenten als lösliche oder membrangebundene Formen nachgewiesen. Dabei sind alle bisher beschriebenen membrangebundenen Proteasen an den inneren Membranstrukturen der Plastiden oder Mitochondrien lokalisiert. PM-gebundene Proteasen wurden bisher nur als enzymatische Aktivität gemessen (Eick und Stöhr, 2009) und von verschiedenen Gruppen als GPI-verankerte Formen in Pflanzen vorhergesagt.

Wir haben jetzt erstmals zwei PM-gebundene Proteasen in den Wurzeln der Gerste (Hordeum vulgare) massenspektrometrisch identifiziert und den Metalloaminopeptidasen zugeordnet.

In Tabak (Nicotiana tabacum) und Gerste weisen Enzymaktivitätstests mit verschiedenen Substraten und gelelektrophoretische Fraktionierungen (Zymogramm) auf die Existenz weiterer PM-Proteasen des Aminopeptidase-, Carboxypeptidase- und Endoproteasetyps an der pflanzlichen PM hin. Dabei werden die Endoproteasen dem Metallo- und Serintyp zugeordnet. Die Identität dieser Formen konnte zwar noch nicht geklärt werden, aber bei mindestens einer der Endoproteaseformen handelt es sich um eine wurzelspezifische Proteinase (Eick und Stöhr, 2009).

 

 



Abbildung 1: Übersicht der nachgewiesenen Proteasetypen an PM-Vesikeln aus Gerstewurzeln.

 

Die Existenz PM-gebundener Proteasen in Tabak und Gerste – einer Dikotylen und einer Monokotylen – deutet auf einen bisher unbekannten grundlegenden Regulationsmechanismus an der PM in Pflanzenwurzeln hin. Dieses Projekt soll daher zur Klärung von Identität, Funktion, Lokalisierung und Regulation dieser PM-gebundenen Proteasen beitragen.



Abbildung 2: Funktionen PM-gebundener Proteasen in Wurzeln

 

Von besonderem Interesse ist dabei der Einfluss der Stickstoffernährung auf die PM-assoziierte Proteaseaktivität beider Pflanzenarten (Eick und Stöhr, 2009), der bereits für andere wurzelspezifische PM-gebundene Enzyme nachgewiesen wurde (Stöhr, 1999; Stöhr und Stremlau, 2006).

Auch sollen potentielle Proteasesubstrate an der PM identifiziert werden. So zeigen erste Ergebnisse eine Freisetzung aktiver, proteolytischer Enzyme von der PM durch endogene Proteolyse. Ob es sich dabei um die in der Rhizosphäre identifizierten Subtilasen handelt, soll noch geklärt werden. Möglicherweise werden noch weitere Proteolyseprodukte in die Rhizosphäre sekretiert.



Abbildung 3: Sind die durch endogene Proteolyse von der PM abgegebenen Proteasen identisch mit den im Exsudat nachgewiesenen Proteasen?

 

Literatur:

Eick M, Stöhr C (2009) Proteolysis at the plasma  membrane of tobacco roots: Biochemical evidence and possible roles. Plant Physiol. Biochem. 47: 1003–1008.

Stöhr C (1999) Relationship of nitrate supply with growth rate plasma membrane-bound and cytosolic nitrate reductase, and tissue nitrate content in tobacco plants. Plant Cell Environ. 22: 129-132.

Stöhr C, Stremlau S (2006) Formation and possible roles of nitric oxide in plant roots. J Exp Bot 57: 463-470.