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Immunreaktion bei Pflanzen ist doppelt abgesichert

Pflanzen besitzen einen ausgeklügelten Abwehrmechanismus, um Schädlinge aller Art abzuschrecken. Nun fand das Forscherteam um Dr. Gabriel Schaaf vom ZMBP der Universität Tübingen heraus, dass diese Immunantwort dem angeborenen Immunsystem von Mensch und Tier möglicherweise noch ähnlicher ist als lange Zeit gedacht: Die Biologen entdeckten den Biosyntheseweg einer Gruppe von Signalmolekülen in Pflanzen, die bis vor Kurzem nur aus tierischen Zellen bekannt waren und dort essenziell für das Überleben der Zelle sind. In der Pflanze sind solche Inositolpyrophosphate gemeinsam mit dem Phytohormon Jasmonsäure dafür verantwortlich, die Schädlingsabwehr einzuleiten. Nun wollen die Wissenschaftler prüfen, inwieweit sich solche ubiquitär vorkommenden Moleküle auch therapeutisch nutzen lassen könnten.

Das Forscherteam von Dr. Gabriel Schaaf beschäftigt sich am Tübinger ZMBP unter anderem mit den komplexen Abwehrstrategien, die Pflanzen gegen Schädlinge anwenden (v. l. n. r.: Dr. Gabriel Schaaf, Dr. Marek Dynowski, Dr. Marília K. F. de Campos, Philipp Johnen, Debabrata Laha (Erstautor der Studie), Philipp Gaugler). © Universität Tübingen

Fast jede Pflanze hat zahlreiche Feinde, gegen die sie Tag für Tag um ihr Überleben kämpfen muss: Zum Beispiel Schmetterlingsraupen, die sich von lebenden Blättern ernähren, Pilze, die pflanzliches Gewebe befallen und verdauen oder pflanzenpathogene Bakterien. Hinzu kommt, dass eine Pflanze nicht, wie die meisten Tiere, vor ihren Feinden davonlaufen kann. Um das Überleben zu sichern, sind also andere Strategien gefragt: Pflanzen haben hierzu eine ganze Palette an biochemischen Abwehrprozessen entwickelt, die ihre Feinde entweder abschrecken oder deren Entwicklung negativ beeinflussen. Dabei können Pflanzen unterscheiden, ob sie von Bakterien, Pilzen oder Fraßfeinden (z.B. Raupen) attackiert werden, und ihre Abwehr an die jeweilige Situation speziell anpassen. Nach Verwundung durch Fraßfeinde bilden die Zellen beispielsweise innerhalb von Minuten eine aktive Form des Phytohormons Jasmonsäure, die ihrerseits wiederum die Freisetzung von Hemm- und Abwehrstoffen einleitet und sogar andere Pflanzen in der Umgebung „benachrichtigt", dass Gefahr droht.

Zwei Moleküle schalten Signalweg zur Schädlingsabwehr an

Vereinfachtes Schema der Aktivierung von Abwehrreaktionen nach Insekten- oder Pilzbefall. Unter basalen Bedingungen inhibieren JAZ-Proteine (grün) die pflanzliche Abwehr (hierdurch werden optimales Wachstum und optimale Entwicklung der Pflanze gewährleistet). Insekten- oder Pilzbefall induzieren die Synthese von zwei wichtigen Molekülen, und zwar aktivierte Jasmonsäure und das Inositolpyrophosphat InsP8. Beide Moleküle müssen an den SCFCOI1-Komplex binden, um effektiv den JAZ-Repressor zu rekrutieren. Nach Rekrutierung erfolgt eine Markierung von JAZ durch Ubiquitin (Ub, man spricht hier auch von einer Ubiquitylierung), die zum Abbau des JAZ-Repressorproteins führt. Hierdurch wird die rasche Aktivierung einer Vielzahl von Abwehrgenen eingeleitet (z.B. VSP2). © American Society of Plant Biologists (modifiziert, Gabriel Schaaf)

Mit den komplexen Abwehrprozessen in Pflanzen beschäftigt sich Dr. Gabriel Schaaf mit seinem Team am Zentrum für Molekularbiologie der Pflanzen (ZMBP) der Universität Tübingen. Bis vor Kurzem dachten die Pflanzenforscher, dass eine aktive Form des Phytohormons Jasmonsäure alleine ausreicht, um den Signalweg zur Abwehr anzuschalten. Hierzu rekrutiert das Hormon sogenannte JAZ-Proteine, die normalerweise die Aktivität von Abwehrgenen unterdrücken. Die Rekrutierung erfolgt an einen sogenannten SCFCOI1-Komplex, der den Abbau dieser Repressorproteine einleitet. Da die unterdrückende Aktivität der JAZ-Proteine damit entfällt, wird hierdurch schnell die Aktivierung einer Vielzahl von Abwehrgenen eingeleitet.

Wie die Tübinger Biologen nun jedoch entdeckt haben, bindet der für die Erkennung der aktiven Jasmonsäure verantwortliche SCFCOI1-Komplex nicht nur aktive Jasmonsäure und JAZ-Repressorprotein, sondern ist auch in der Lage, ein weiteres Signalmolekül – Inositolpyrophosphat (PP-IP) – zu binden. „Der arbeitsfähige Proteinkomplex formt sich nur dann optimal, wenn auch Inositolpyrophosphat gebunden wird, also zwei Moleküle andocken", erklärt Schaaf. „Dadurch besitzt die Pflanze einen äußerst effektiven Schutzmechanismus. Denn die Aktivierung von Abwehrgenen kann durch diese doppelte Sicherung moduliert werden. Zudem baut sich die Pflanze eine zusätzliche Sicherheitsstufe ein, damit der Abwehrmodus nicht vorschnell ausgelöst wird. Dann hätte sie nämlich im täglichen Konkurrenzkampf um Licht und Nährstoffe gegenüber benachbarten Pflanzen verloren", fügt der Pflanzenforscher hinzu.

Auf die Funktion des Signalmoleküls aufmerksam wurden die Tübinger Forscher, als sie spezielle Kollektionen der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) untersuchten, in denen einzelne Gene ausgeschaltet sind. Hierbei beobachteten die Forscher, dass Pflanzen ohne die aktive PP-IP-Form zwar ganz normal aussahen, aber immense Probleme mit Insektenschädlingen hatten. Durch die Kombination von biochemischen, strukturellen und molekularbiologischen Methoden konnten Schaaf und sein Team in der Folge den Wirkmechanismus der Signalstoffe aufklären und veröffentlichen.1

Inositolpyrophosphate auch für Mediziner interessant

Die Entdeckung des zweiten Moleküls erregt aber nicht nur unter Pflanzenforschern Aufsehen. Auch Mediziner interessieren sich für PP-IPs, weil diese Moleküle auch für den Menschen wichtig sind. „Die Funktion bei der Immunantwort in tierischen Zellen ist aber bislang noch weitgehend unerforscht", sagt Schaaf. „Doch wie man weiß, gibt es hier viele Parallelen zwischen Pflanzen und Tieren, beispielsweise die angeborene Immunität – die Fähigkeit, innerhalb kürzester Zeit auf Fremdstoffe zu reagieren." Bevor die Tübinger Biologen die Signalstoffe in der Ackerschmalwand entdeckten, waren Inositolpyrophosphate vor allem in tierischen Zellen, aber auch in Amöben und Hefen bekannt, wo sie an wichtigen Funktionen wie dem programmierten Zelltod, der Chemotaxis, Alterungsprozessen an den Telomeren, dem intrazellulären Membrantransport oder der Insulin-Signaltransduktion maßgeblich beteiligt sind. Der genaue Wirkmechanismus der Moleküle ist hier aber in vielen Fällen umstritten.

Strukturformeln, die die Inositolpyrophosphat-Biosynthese bei Pflanzen und Tieren vergleichend darstellen.
Vereinfachtes Schema der Inositolpyrophosphat-Biosynthese in Pflanzen, Tier, Mensch und Hefe. InsP7 und InsP8 gehören aufgrund ihrer Diphosphatgruppe zu den Inositolpyrophosphaten (PP-IPs), eine Phosphatgruppe wird durch ein „P“ symbolisiert. Die Enzyme der Ackerschmalwand, VIH1 und VIH2, sind InsP8 Synthetasen, leiten also die Biosynthese von InsP8 ein. Die Synthese von InsP7 aus InsP6 ist nicht geklärt. Eine Beteiligung von VIH1 an dieser Reaktion kann gegenwärtig nicht ausgeschlossen werden. © Gabriel Schaaf

Therapeutische Anwendung wird getestet

Künstlerische Abbildung des Blattes einer Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), das von einer Raupe des Kohlweißlings (Pieris rapae) befallen ist. Dadurch wird eine Immunantwort der Pflanze ausgelöst. In schematischer Zeichnung ist in starker Vergrößerung der Jasmonsäurerezeptor, ein F-Box-Proteinkomplex, dargestellt. Nur bei gleichzeitigem Binden von Inositol(pyro)phosphat (magentarot) und aktiver Jasmonsäure (bzw. einem Jasmonsäure-Analogon, gelb) kommt es zur Rekrutierung und zum Abbau des sogenannten Jasmonat-ZIM-Domäne(JAZ)-Repressors (dunkelrot), woraufhin Abwehrreaktionen eingeleitet werden. © Universität Tübingen, Gabriel Schaaf und Hans van Pelt

In einer Kooperation mit dem Chemiker Prof. Dr. Henning Jessen von der Universität Zürich (mittlerweile Albert-Ludwigs-Universität Freiburg) und dem Molekularbiologen Prof. Dr. Adolfo Saiardi (Medical Research Council London) wollen die Tübinger Pflanzenforscher nun unter anderem herausfinden, ob sich PP-IPs auch als therapeutische Agenzien eignen würden. In Zürich/Freiburg werden hierzu Modifikationen an diesen Moleküle vorgenommen. „Durch seine vielen Phosphatgruppen sind PP-IPs sehr stark negativ geladen und würden so niemals eine Plasmamembran passieren können", so Schaaf. „Deshalb wurde von der Arbeitsgruppe Jessen ein Trick angewandt: Es wurden solche Moleküle hergestellt, bei denen die Ladung maskiert wurde, damit diese ohne Probleme über die Membran in die Zelle transportiert werden. In den Zellen werden diese dann von zelleigenen Enzymen gespalten und das aktive PP-IP freigesetzt, wie wir kürzlich für verschiedene Zelltypen zeigen und in einer gemeinsamen Veröffentlichung dokumentieren konnten"2. Durch die Pyrophosphatbindungen sind diese Moleküle sehr instabil und energiereich und können in der Zelle starke Signalwirkungen entfalten. Sie müssen deshalb auch schnell wieder abgebaut werden, damit die Stoffwechselvorgänge korrekt ausgeführt werden können. Derzeit untersuchen die Wissenschaftler in Zellkulturen, ob die Signalmoleküle pharmazeutisch interessant sind.

Eine weitere Anwendung, die sich durch die genauere Kenntnis der pflanzlichen Immunität eröffnen könnte, ist die gezielte Schädlingsbekämpfung: Durch Einsatz von Methoden der grünen Biotechnologie könnten Nutzpflanzen erzeugt werden, bei denen die Biosynthese dieser natürlichen Schutzmoleküle bei Schädlingsbefall gezielt hochreguliert wird. „Wie wir anhand der Modellpflanze Ackerschmalwand zeigen konnten, sind solche Pflanzen weitaus resistenter gegen Fraßinsekten und Pilzinfektionen und die Landwirte müssten bei entsprechenden Nutzpflanzen wesentlich weniger Insektizide und Fungizide anwenden", erklärt Schaaf.

1Originalpublikation:
Laha D, Johnen P, Azevedo C, Dynowski M, Weiß M, Capolicchio S, Mao H, Iveng T, Steenbergen M, Freyer M, Gaugler P, de Campos MKF, Zhen N, Feussner I, Jessen HJ, Van Wees SC, Saiardi A, and Schaaf G (2015): VIH2 Regulates the Synthesis of Inositol Pyrophosphate InsP8 and Jasmonate-Dependent Defenses in Arabidopsis. Plant Cell, 27, 1082-97

2Originalpublikation:
Pavlovic I, Thakor DT, Bigler L, Wilson MSC, Laha D, Schaaf G, Saiardi A, Jessen HJ (2015): Pro-Metabolites of 5-diphospֺho-myo-inositol pentakisphosphate. Angew Chem Int Ed 54, 9622-6

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