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Forschungsprojekte

Redox-Regulation in Chloroplasten: Post-translationale Mechanismen und Feinregulation

Das Ferredoxin-Thioredoxin-System überträgt Elektronen aus der oxygenen Photosynthese auf Schlüsselenzyme des Chloroplastenstoffwechsels. Diese kovalente Redoxmodifikation ist Grundlage für die individuelle Regulierbarkeit der Zielenzyme. Ihre Redoxpotentiale werden durch Stoffwechsel-Intermediate spezifisch verändert, wodurch die Flüsse jeweils dem Bedarf angepasst werden.

Licht-/Dunkelmodulation: Kovalente Redox-Modifikation von Chloroplastenenzymen dient als "Lichtschalter" mit Dimmerfunktion, um Enzymaktivitäten der Assimilation und der Energiedissipation dem Bedarf anzupassen.

Da die Redoxmodulierbarkeit der Chloroplastenenzyme erst nach der Entstehung der oxygenen Photosynthese etabliert werden konnte, wurden − beginnend mit den Cyanobakterien − redox-modulierte Enzyme aus Organismen verschiedener phylogenetischer Entwicklungsstufen auf das Vorkommen der redox-aktiven Cysteine bzw. der regulatorischen Sequenzbereichen untersucht. Wie für NADP-Malatdehydrogenase, konnte auch für NADP-Glycerinaldehyd-3-P-Dehydrogenase, Phosphoribulokinase, Fruktose-1,6-bisphosphatase und Glukose-6-P-Dehydrogenase gezeigt werden, dass erst im Laufe der Evolution die "perfekt" regulierten Formen entstanden sind. Die reversible Redox-Reaktion an den Zielenzymen ist die Basis für die Feinregulation zur individuellen Anpassung der Stoffwechselflüsse.

 

Literatur:

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Malat-Ventile und Redox-Shuttle-Systeme in grünen und in nicht-grünen Geweben

Die Bereitstellung von Reduktionsequivalenten NAD(P)H und von Energie in Form von ATP im benötigten Verhältnis ist Grundlage für den kontinuierlichen Ablauf der verschiedenen Syntheseprozesse. Pflanzenzellen besitzen Plastiden als speziell geeignetes Kompartiment für energiebedürftige Reaktionen. Durch kompartimentspezifische Isoenzyme der Malatdehydrogenase ist die Entkopplung beider Energieträger möglich, da Reduktionsequivalente in Form von Malat ins Cytosol transportiert werden können. Im Licht in grünen Geweben erfolgt die Regulation des Malat-Ventils über die redox-modulierte NADP-Malatdehydrogenase.
Im Dunkeln, aber auch in nicht-grünen Geweben, wird NADH mittels einer plastidären NAD-Malatdehydrogenase ins Cytosol transportiert, so dass bei der Substratkettenphosphorylierung gleichzeitig entstehendes ATP im Plastiden kontinuierlich genutzt werden kann. Auch in Knöllchen bei symbiontischer N2-Fixierung wird mittels einer plastidären NAD-Malatdehydrogenase die Verteilung von NADH und ATP bewerkstelligt. Das Fehlen der plastidären NAD-Malatdehydrogenase in transgenen Pflanzen ist embryoletal.
Die mitochondriale Malat-Oxidation ist am Abbau der Überreduktion in den Plastiden beteiligt. Die Bedeutung der verschiedenen Isoformen der Alternativen Oxidase (AOX) sowie Unterschiede in deren Regulation werden anhand von rekombinanten Proteinen analysiert.

Im Dunkeln, aber auch in nicht-grünen Geweben, wird NADH mittels einer plastidären NAD-Malatdehydrogenase ins Cytosol transportiert, so dass bei der Substratkettenphosphorylierung gleichzeitig entstehendes ATP im Plastiden kontinuierlich genutzt werden kann. Auch in Knöllchen bei symbiontischer N2-Fixierung wird mittels einer plastidären NAD-Malatdehydrogenase die Verteilung von NADH und ATP bewerkstelligt. Das Fehlen der plastidären NAD-Malatdehydrogenase in transgenen Pflanzen ist embryoletal.
Die mitochondriale Malat-Oxidation ist am Abbau der Überreduktion in den Plastiden beteiligt. Die Bedeutung der verschiedenen Isoformen der Alternativen Oxidase (AOX) sowie Unterschiede in deren Regulation werden anhand von rekombinanten Proteinen analysiert.

 

Literatur:

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Redox-gesteuerte Genexpression zur Regulation des Energiestoffwechsels

Die flexible Anpassung der Elektronenflüsse auf die hierarchisch angeordneten Akzeptorsysteme (CO2, Nitrit, Sulfat, O2 etc.) wird durch angepasste Aktivierungszustände, erhöhte Intermediat-Pools sowie durch veränderte Enzymausstattung erreicht.

Die stark kontrollierte Aktivität der NADP-MDH kann als Teil des Malat-Ventils nicht nur wesentlich zur Anpassung des stromalen ATP/NADPH-Verhältnisses beitragen, sondern stellt auch eine wichtige Verbindung zwischen C- und N-Stoffwechsel dar. Erhöhte CO2-Konzentration, Nährstoffversorgung und wechselnde Lichtbedingungen werden als variable Umweltfaktoren einbezogen. In Situationen, in denen sich Chloroplasten über längere Zeit z. B. durch Akzeptormangel unter hohem Elektronendruck befinden, wird die Genexpression für kernkodierte chloroplastidäre Proteine beeinflusst, um langfristig eine Anpassung an die veränderten Bedingungen zu erzielen. Teilschritte der Übermittlung eines Redox-Signals aus den Plastiden über das Cytosol in den Kern werden gezielt analysiert. Die Rolle cytosolischer Enzyme und ihrer Modifikation durch S-Glutathionylierung und S-Nitrosylierung sowie die Beteiligung weiterer redox-aktiver Proteine ist dabei von besonderem Interesse. Ebenso wird die Kerntranslokation cytosolischer Enzyme und deren Funktion in der Genexpression untersucht.

 

Literatur:

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Protein-Protein-Wechselwirkungen an Cytoskelett und äußerer Mitochondrienmembran

Sowohl die Assoziationen zwischen den verschiedenen Proteinen als auch ihre Verbindung mit dem Cytoskelett und mit der äußeren Membran von Mitochondrien wird analysiert. Eine eventuelle Rolle derartiger Mikrokompartimente in der Übermittlung eines Redox-Signals an den Kern wird ebenfalls in Betracht gezogen. Insbesondere die Rolle von VDAC (voltage-dependent anion channel), die redox-abhängige Assoziation mit GapC (cytosolische GAPDH) und die Lokalisierung der Mitochondrien bei Imbalancen in der Redox-Homöostase werden analysiert, indem in vivo und in vitro diverse Fusionsproteine mit Fluoreszenzmarkierung eingesetzt werden. Die Cysteinreste im aktiven Zentrum des Glykolyse-Enzyms GAPDH sind besonders sensitiv gegenüber oxidierenden Bedingungen. Modifikation und Inaktivierung der GAPDH und das damit verbundene "moonlighting" dient offensichtlich als Schnittstelle zwischen Metabolismus und veränderter Genexpression.

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GrxS17 als Schalter zur Integration von Informationen

Das ungewöhnliche Glutaredoxin GrxS17 spielt eine übergeordnete Rolle für die Differenzierung der Meristeme nach der Blühinduktion. Die molekularen, zellbiologischen und physiologischen Aspekte dieses für höhere Pflanzen typischen Proteins werden im Rahmen eines Teilprojekts in der DFG-geförderten Forschergruppe SPP 1710 >>Dynamics of Thiol-based Switches in Cellular Physiology<< untersucht.

Literatur:

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Ökophysiologie

In verschiedenen Projekten werden im Freiland und im Gewächshaus unter kontrollierten Bedingungen abiotische Einflüsse, insbesondere durch Licht und Temperatur, auf das Pflanzenwachstum, sowie Verteilung und Konkurrenz der Pflanzen untersucht.

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