Deg Proteases in Arabidopsis thaliana

Abstract

Proteasen, auch Peptidasen genannt, sind Enzyme zur Hydrolyse von Peptidbindungen. Sie sind an vielen zellulären Prozessen beteiligt, u.a. an der Qualitätskontrolle von Proteinen, an der Aufnahme von Nährstoffen, an der posttranslationalen Modifizierung von Proteinvorstufen, und sind außerdem verantwortlich für viele zelluläre Signalübertragungsvorgänge. Deg-Proteasen (auch HtrA-Proteasen genannt) bilden eine Familie ATP-unabhängiger Serinendopeptidasen und kommen in fast jedem Organismus vor. Zusätzlich zu ihrer Proteasendomäne besitzen die meisten Deg-Proteasen ein oder mehrere PDZ-Domänen zur Protein-Protein-Interaktion. Das vollständig sequenzierte Genom des pflanzlichen Modellorganismus Arabidopsis thaliana enthält 16 Gene für Deg-Proteasen, über deren Rolle im Organismus jedoch kaum etwas bekannt ist. Die Grundlage der hier vorliegenden Arbeit sind meine Untersuchungen an vier Deg-Proteasen aus dieser Pflanze.DEG15 ist, wie wir zeigen konnten, eine peroxisomale Protease. Sie ist verantwortlich für das Prozessieren von Proteinen, welche ein PTS2 (Peroxisomal Targeting Signal 2) Signal Peptid enthalten, ein Vorgang, der nur in höheren Eukaryoten vorkommt. Durch unsere Analyse von Arabidopsis-deg15-Knock-Out-Mutanten konnten wir zeigen, daß diese Pflanzen einen Defekt in der Beta-Oxidation von Hormonvorstufen besitzen. Dies ist ein erster Hinweis auf die Wichtigkeit dieses Prozesses für den Organismus. Das entsprechende DEG15 ähnliche Protein aus Säugetieren wurde als eine neue Art von Cysteinprotease klassifiziert, doch wir konnten durch Mutagenesestudien beweisen, daß DEG15 tatsächlich eine Serinprotease ist.DEG7 gehört zu einer Gruppe von Deg-Proteasen, welche nur in Pflanzen und Pilzen vorkommen. Wir erkannten, daß dieses Protein aufgrund seiner ungewöhnlichen Domänenstruktur einen neuartigen Oligomerisierungs-Mechanismus besitzt. Außerdem konnten wir zeigen, daß DEG7 aus Arabidopsis, anders als das entsprechende Protein aus der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, nicht an der Durchführung des Programmierten Zelltods beteiligt ist. Zusätzlich identifizierten wir aus einer Arabidopsis-cDNA-Bibliothek mehrere Gene, welche für potentielle DEG7 Interaktionspartner kodieren.In dieser Arbeit konnten wir außerdem DEG9 als die erste Protease im Nukleolus identifizieren, welche keinen Teil des Ubiquitin-Proteasom-Systems darstellt. Normalerweise liegt sie in unseren in-vitro-Versuchen als Hexamer vor, doch ist ihr Oligomerisierungsgrad abhängig von dem Vorhandensein ihrer PDZ-Domäne. Arabidopsis Pflanzen, welche kein DEG9-Protein besitzen, zeigten keine phänotypischen Veränderungen gegenüber Wildtyp-Pflanzen. Gleiches gilt für Pflanzen mit einem erhöhten Level and DEG9.Frühere Arbeiten in unserem Labor haben DEG2 als ein chloroplastidäres Enzym identifizert, welches unter Lichtstress für den Abbau des D1-Proteins aus dem Photosystem II verantwortlich ist. Da diese Arbeiten auf in-vitro-Daten beruhten, haben wir untersucht, in welchem Maße der D1-Abbau in Arabidopsis-Linien ohne DEG2 beeinträchtigt ist. Da diese deg2-Knock-Out-Pflanzen im Vergleich zu Wildtyp-Pflanzen keinen Unterschied zeigten, entwickelten wir ein erweitertes Modell des D1-Abbaus und der daran beteiligten Proteasen.