ESCRTs in Pflanzen: die Begleitung der Membranproteine zum Abbau

366 W I S S EN S CH AFT Endosomaler Transport ESCRTs in Pflanzen: die Begleitung der Membranproteine zum Abbau MARIE-KRISTIN NAGEL, ERIKA ISONO LEHRSTUHL FÜR PHYSIOLOGIE UND BIOCHEMIE DER PFLANZEN, UNIVERSITÄT KONSTANZ The regulation of the abundance of plasma membrane proteins is crucial for the survival of plants in an ever-changing environment. Selective protein degradation of plasma membrane proteins occurs via ubiquitin-dependent and ESCRT-mediated endosomal transport. Endosomal sorting complexes required for transport (ESCRTs) are not only important for plant development, but also for autophagy and pathogen defence in plants. Here we discuss the function of ESCRTs in the regulation of endosomal transport and their physiological implication. DOI: 10.1007/10.1007/s12268-020-1392-4 © Die Autorinnen 2020 ó Pflanzen sind die Basis unserer Nahrung, produzieren durch Photosynthese den Sauerstoff in unserer Atmosphäre und bilden so eine Grundlage des Lebens auf der Erde. Da sie standortgebundene Lebewesen sind, müssen sie sich ständig an Veränderungen in ihrer Umwelt anpassen. Die Anpassungsmechanismen der Pflanzen aufzuklären, ist wichtig, um die Vielfalt im Pflanzenreich zu verstehen und auf längere Sicht gesehen Teile der Erkenntnisse auch auf ökonomisch wichtige Pflanzenarten übertragen zu können. Eine beliebte Modellpflanze für die Grundlagenforschung ist die Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), eine zu den Kreuzblütlern gehörende Art mit einer kurzen Generationszeit von etwa drei Monaten. Arabidopsis hat mit 125 Megabasenpaaren ein relativ kleines Genom, das seit dem Jahr 2000 entschlüsselt ist. Somit ist Arabidopsis eine ideale Modellpflanze zur Durchführung genomischer, genetischer, proteomischer und metabolomischer Analysen an einem Organismus. Wie alle eukaryotischen Zellen sind auch Pflanzenzellen von einer Lipiddoppelschicht, der Zellmembran, umgeben. Um auf veränderte äußere Bedingungen rechtzeitig reagieren zu können, durchziehen integrale Membranproteine die Zellmembran und stellen auf diese Weise die Verbindung zwischen dem Zellinneren und der Umgebung her. Bei diesen Membranproteinen handelt es sich z. B. um Transporterproteine, welche unter anderem den Ionenhaushalt der Zelle regulieren, oder auch um Rezeptoren, die bestimmte extrazelluläre Moleküle wahrnehmen und so Signalkaskaden im Zellinneren auslösen können. Die Zusammensetzung der Membranproteine in der Zellmembran muss strikt reguliert werden, um eine präzise Anpassung an die Umgebung zu ermöglichen. Proteinmengen werden in der Zelle auf transkriptioneller, translationaler und posttranslationaler Ebene reguliert. Die Regulation über die Transkription und Translation kann die vorhandene Proteinmenge nur schwer beeinflussen. Im Gegensatz dazu kann gezielter Proteinabbau vorhandene Proteine schnell beseitigen und somit durch Abbau von Schlüsselproteinen die Signalweiterleitungen sofort reduzieren. Der Ubiquitin-Code bestimmt den richtigen Pfad Der selektive Proteinabbau benötigt ein kleines ubiquitär vorhandenes Proteinmolekül namens Ubiquitin, das posttranslational an die Zielproteine konjugiert wird. Bereits die Modifikation mit einem Ubiquitinmolekül kann die Stabilität oder Funktion eines Pro- teins beeinflussen, meist werden die Zielproteine jedoch durch Ubiquitinpolymere bzw. Ubiquitinketten modifiziert. Das C-terminale Glycin des Ubiquitins kann mit Lysinen anderer Proteine durch ubiquitinylierende Enzyme über eine Isopeptidbindung verknüpft werden. Da Ubiquitin sieben Lysine (K6, K11, K27, K29, K33, K48 und K63) besitzt, können Ubiquitinmoleküle auch untereinander verknüpft werden und topologisch unterschiedliche Ubiquitinketten bilden, die in bestimmten biologischen Prozessen eine Rolle spielen. So werden Zellmembranproteine meist mit K63-Ubiquitinketten für den Abbau markiert [1]. Durch Verknüpfung über das N-terminale Methionin können zusätzlich auch lineare Ketten erzeugt werden [1]. Die Länge und Verknüpfung der Ubiquitinketten sind entscheidend für das Schicksal der modifizierten Proteine. Die Ubiquitin-Modifikationen – bzw. der Ubiquitin-Code – werden von verschiedenen Ubiquitin-bindenden Proteinen, den Ubiquitin-Adaptern, gelesen, die dafür sorgen, dass die markierten Zielproteine den vorgesehenen Weg nehmen. Die Bildung von diversen Kettentypen macht Ubiquitin einzigartig, da es einem einzigen Molekül ermöglicht, unzählige biologische Prozesse zu steuern. Die endosomal sorting complexes required for transport(ESCRT)Maschinerie koordiniert den endosomalen Transport Da sich integrale Zellmembranproteine in der Zelle nicht aus der Lipiddoppelschicht lösen lassen, werden die Proteine samt der sie umgebenden Zellmembran endocytiert und in Endosomen zur Vakuole transportiert, in welcher der Abbau stattfindet. Während der Endocytose bildet sich um den sich einstülpenden Bereich eine Clathrinhülle, die nach der Abschnürung wieder zerfällt, um eine Verschmelzung des Vesikels mit anderen Endosomen zu gewährleisten (Abb. 1). Für den Transport der Frachtproteine zur Vakuole ist die Funktion der ESCRTs notwendig. Dabei handelt es sich um MembranBIOspektrum | 04.20 | 26. Jahrgang 367 lokalisierte Proteinkomplexe, die ubiquitinylierte Frachtproteine an den Endosomen erkennen und deren Transport zur Vakuole begleiten. ESCRTs findet man in einzelligen Archaea bis hin zu mehrzelligen Eukaryoten, wobei die Zusammensetzung ihrer Untereinheiten variiert [2]. Zusätzlich gibt es Ubiquitin-Adapter, die der Ubiquitin-Erkennung dienen und durch Interaktion mit nachgeschalteten ESCRTs die ubiquitinylierten Frachtproteine dem endosomalen Transport zuführen [3]. Die Frachtproteine werden auf späten Endosomen in die intraluminalen Vesikel eingestülpt und geben den späten Endosomen damit ihre spezifische Struktur, wegen der sie auch multivesicular bodies (MVBs) genannt werden (Abb. 1). Für diese Einstülpung ist ESCRT-III und dessen filamentöse Polymerstruktur verantwortlich. Anschließend verschmelzen die MVBs mit der Vakuole und entlassen so ihren Inhalt in die Vakuole (Abb. 1, [3]). Unter den ESCRT-assoziierten Proteinen sind auch deubiquitinylierende Enzyme, wie z. B. AMSH, zu finden [4]. Die Abspaltung der Ubiquitinkette vom Frachtprotein ist zum einen wichtig, um den Abbau des Ubiquitins in der Vakuole zu verhindern. Zum anderen könnte das Entfernen von Ubiquitin dazu führen, dass die Frachtproteine nicht mehr von Ubiquitin-Adaptern und ESCRTs gebunden werden und somit zurück an die Zellmembran geleitet werden. Die Regulation der Ubiquitinylierung an den Endosomen ist wichtig für die Feinabstimmung des endosomalen Transports und der Proteinabundanz an der Zellmembran. Die Zellmembran und die endosomalen Membranen haben unterschiedliche Phospholipidzusammensetzungen, die sich fortlaufend auf dem Weg zur Vakuole ändern [5]. ESCRT sowie die Ubiquitin-Adapter binden bestimmte Phosphoinositide in den Membranen, was deren Rekrutierung auf diese verstärkt. Unsere Arbeitsgruppe hat in den letzten Jahren ESCRT-assozi (...truncated)