Remorin proteins in Arabidopsis thaliana

Die Plasmamembran lebender Zellen stellt die Hauptbarriere für
alle Arten von extrazellulären Signalen dar. Viele davon werden ins
Innere der Zelle weitergeleitet, hier lösen sie im Kern
transkiptionelle Veränderungen und damit die Anpassung der Zelle
auf Proteinebene aus. Andere wiederum werden direkt erkannt und in
unmittelbare molekulare Antworten umgewandelt, wie zum Beispiel die
Sekretion von gespeicherten Stoffen oder Konformations-änderungen
von Proteinen. Besonders in Pflanzen, welche durch ihre sesshafte
Lebensweise auf die rechtzeitige und spezifische Erkennung von
Umweltveränderungen angewiesen sind, hat sich ein höchst diverses
Rezeptorsystem entwickelt. In der Ackerschmalwand Arabidopsis
thaliana, der in dieser Arbeit verwendeten Modellpflanze, wurden
610 verschiedene Rezeptorproteine identifiziert, welche wiederum
von zahlreichen interagierenden, und bis jetzt weitestgehend
unerforschten Proteinen reguliert werden. Als entscheidendes
Prinzip, dieses Aufgebot an membran-gebundenen Komponenten von
Signalkaskaden zu organisieren, gilt inzwischen die zeitliche und
lokale Kompartimentierung der Plasmamembran. Durch Akkumulation
relevanter Bestandteile von biologischen Prozessen in sogenannten
Membrandomänen werden kurze Reaktionszeiten und die unmittelbare
Signalweiterleitung garantiert. Besonders wichtig bei solchen
Prozessen sind sogenannte Gerüstproteine, welche als Adaptoren
zwischen anderen Komponenten fungieren. In dieser Arbeit wurden
Remorine, eine Familie pflanzenspezifische Proteinen ohne bisher
definierte Funktion, aufgrund ihrer Eigenschaft Membrandomänen zu
markieren und ihrer mutmaßlichen Beteiligung an
Pflanzen-Pathogen-Interaktionen, genauer untersucht. Eine
systematische Expression von Remorinen als Fluorophor-Fusionen mit
anschließender hochauflösender mikroskopischer und quantitativer
Untersuchung offenbarte, dass die meisten Remorine sich in deutlich
unterschiedlichen Mustern an der Membran verteilen. Untersucht
wurden dabei Parameter wie die Größe der erkennbaren Domänen, die
Form, die Helligkeit, aus welcher auf die Proteinkonzentration
rückgeschlossen werden kann, sowie die Domänendichte an der
Membran. Diese Ergebnisse wurden von Kolokalisationsanalysen
unterstützt, welche die Lokalisation in unterschiedlichen,
koexistierenden Membrankompartimenten erkennen ließen. Ferner
wurden die Eigenschaften der von Remorinen markierten
Membrandomänen, wie zum Beispiel der Austausch an Proteinen mit der
umgebenden Membran, sowie lokale und zeitliche Dynamik und
Stabilität untersucht. Dabei konnte eine hohe Fluktuation einzelner
Proteine zwischen Domäne und umliegender Membran, jedoch eine klare
laterale Immobilität der gesamten Domäne nachgewiesen werden.
Zusätzlich zeichneten sich die untersuchten Domänen teilweise durch
eine außerordentlich große zeitliche Stabilität aus, andere
wiederum scheinen abhängig von bestimmten Stimuli zu entstehen.
Weitergehende Arbeiten dienten der Identifizierung der Funktion
einzelner Bereiche der Proteine. Hierbei konnte die entscheidende
Rolle des äußersten C-terminalen Bereichs, des so- genannten RemCAs
(Perraki et al., 2012; Konrad et al., 2014) als Membrananker
bestätigt werden. Zusätzlich wurden mit Hilfe eines Hefe-2-Hybrid
Ansatzes zahlreiche neue Interaktoren für eine Auswahl von
Remorinen identifiziert. Dabei wurde ein essentieller Rezeptor der
basalen Immunantwort, BAK1 als Interaktor für Remorin 6.4
gefunden. Zuletzt wurden einige wenige Remorine mit Hilfe von
Mutantenlinien in einer genetischen Studie phänotypischen Analysen
bezüglich ihrer Funktion bei Pflanzen-Pathogen Interaktionen
unterzogen. Remorin 6.4 spielt hiernach eine Rolle bei der
Immunantwort nach Befall mit virulenten Bakterien. Die grundlegende
Erkenntnis, dass in lebenden Zellen zahlreiche klar unterscheidbare
Arten an Membrandomänen koexistieren, ist ein Meilenstein auf dem
Weg zur Anerkennung einer neuen Vorstellung vom Aufbau der
Zytoplasmamembran. Diese wird häufig noch als undifferenzierte
zweidimensionale Flüssigkeit beschrieben, in welcher stellenweise
sogenannte Lipidflöße, festere Strukturen aus Cholesterin und
Sphingolipiden, die auch bestimmte Proteine beherbergen können,
auftreten. Anhand der in dieser Arbeit gewonnen Ergebnisse, sowie
ähnlicher Studien in Hefe lässt sich nun folgendes Bild zeichnen:
Es ist davon auszugehen, dass unterschiedliche Proteine, welche im
selben biologischen Prozess involviert sind, in unmittelbarer
Nachbarschaft oder sogar im selben Proteinkomplex in der Membran
organisiert sind. Die Lipidzusammensetzung in der unmittelbaren
Umgebung wird von diesen Proteinen bestimmt, bietet jedoch auch die
Grundlage für die Bildung der Domäne, indem sie die Lokalisation
der Komponenten in diesem Bereich fördert. Die zahlreichen an der
Zellmembran gleichzeitig ablaufenden, unterschiedlichen Prozesse
erfordern eine hochkomplexe, zeitlich und räumlich stark regulierte
Kompartimentierung der Membran. Es kann vermutet werden, dass
Remorine eine Rolle als Gerüstproteine bei der Ausbildung einer
Auswahl dieser Domänen bilden. Im Fall von Remorin 6.4 ist das
Protein für den Prozess der Flagellin-Erkennung und die
unmittelbaren Abwehrantworten, welche nachweislich eine
Präformierung der beteiligten Proteinkomplexe voraussetzen,
notwendig.