Elisabeth-Gateff-Preis 2003

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Elisabeth-Gateff-Preis 2003 der GfG für herausragende Promotionsarbeiten:
GNOM – ein Protein für endosomalen
Transport, Gewebepolarität und
Pflanzenentwicklung
Niko Geldner, ZMBP, Entwicklungsgenetik, Universität Tübingen
Schlägt man ein Lehrbuch über Pflanzenphysiologie auf, so wird man nicht lange
brauchen, bis man auf den Namen Auxin
stößt. Dieser Name bezeichnet eine Substanz, die man als einen der wichtigsten Regulatoren des Pflanzenwachstums ansehen
kann. Die Einfachheit ihrer Struktur, der
Indol-3-essigsäure, steht im Gegensatz zu
der großen Vielfalt ihrer physiologischen
Wirkungen. Beispiele sind die Steuerung gerichteter Wachstumsbewegungen oder die
Regulation des Haupt- und Seitenwurzelwachstums. Für die meisten dieser Prozesse ist es unbedingt notwendig, dass Auxin
gerichtet (polar) durch die Pflanze transportiert wird. Dieser polare Fluss beruht auf
einem aktiven Zell-Zell Transport, welcher,
so wurde vermutet, durch die asymmetrische
Verteilung von Auxin-Effluxtransportern am
basalen Ende der Zellen erreicht wird. Nach
diesem Modell würde die gleichgerichtete
Polarität individueller Zellen eine übergeordnete Gewebepolarität in Hinsicht auf Auxintransport entstehen lassen. Ein Kandidat
für einen Auxintransporter wurde kloniert
und das Protein, PIN1, ist in der Tat immer
am basalen Ende von Zellen in Auxin-transportierenden Geweben lokalisiert[1] (Abb.
1A). Diese Entdeckung warf eine neue fundamentale Frage auf, welche vorher, mangels identifizierter Moleküle, nicht gestellt
werden konnte. Wie kommt diese so wichtige, koordinierte Polarisierung von
Effluxtransportern zustande? Erste Hinweise auf die Mechanismen dieser Lokalisation wurden mit Inhibitorstudien erlangt.
Es konnte gezeigt werden, dass die basale
Lokalisation des PIN1 Proteins nicht durch
feste Verankerungen
zustande kommt,
sondern dass das
Protein ständig zwischen intrazellulären
Kompartimenten
und der Plasmamembran zyklisiert.
Störung
dieses
Transports mit dem
Vesikeltransport-Inhibitor Brefeldin A
(BFA) führt zu einer
starken Akkumulation des Proteins in
großen perinukleären Membranaggregaten[2] (Abb. 1B).
Eine Mutantensuche in Arabidopsis
in unserem Labor
führte zur Entdeckung einer Mutante namens gnom. Die
mutanten Keimlinge
sind klein und verAbb. 1: GNOM und PIN1 (A) Koordiniert polare Lokalisation von PIN1 in
dickt und zeigen eiAuxin-transportierenden Geweben. (B) Behandlung mit dem Vesikeltransne Deletion der
port-Inhibitor BFA führt zu intrazellulärer Akkumulation von PIN1. (C)
Wurzel und verdickgnom-mutante Keimlinge zeigen Zwergwuchs und Defekte in der Achsenbilte, fusionierte Keimdung. (D) Eine BFA-resistente GNOM-Variante verhindert intrazelluläre
Akkumulation von PIN1 nach BFA-Behandlung.
blätter[3] (Abb. 1C).
BIOspektrum · 6/03 · 9. Jahrgang
Während der Embryonalentwicklung ist die
Orientierung der Zellteilung und die Anordnung der Zellen zueinander stark beeinträchtigt. Das GNOM Protein zeigt Sequenzähnlichkeit zu Proteinen aus Hefe und
Säugetieren[4]. Wir konnten zeigen, dass
GNOM als GDP/GTP Austauschfaktor für
kleine G-Proteine der ARF Klasse fungiert[5]. ARFs rekrutieren Vesikelhüllproteine zu Membranen und führen zur selektiven
Aufnahme von Proteinfracht in Vesikel.
GNOM aktiviert diese G-Proteine und reguliert damit intrazellulären Vesikeltransport. Wichtig war, dass wir GNOM als eines
der molekularen Zielproteine von BFA identifizieren konnten, der gleichen Substanz,
die die Delokalisation von PIN1 bewirkt.
Markierte Proteinvarianten ermöglichten
uns, GNOM subzellulär zu lokalisieren.
GNOM ist in intrazellulären Kompartimenten lokalisiert, die wir als Endosomen definieren konnten[6]. Damit könnte GNOM am
Transport von Plasmamembran-Proteinen
beteiligt sein.
Hadfi und Kollegen konnten zeigen, dass
Auxin-Behandlung von Embryonen zu
gnom-ähnlichen Entwicklungsdefekten führte[7]. Damit wurde deutlich, dass GNOM
möglicherweise eine wichtige Funktion in
der Wahrnehmung oder dem polaren Transport von Auxin besitzt. Tatsächlich ist in
gnom-mutanten Embryonen PIN1 nicht, wie
im Wildtyp, koordiniert polar verteilt. Das
lässt vermuten, dass der polare Transport von
Auxin in der Mutante stark beeinträchtigt
ist[5].
Diese Befunde unterstützten ein Modell,
demzufolge GNOM Auxin-Effluxkomponenten wie PIN1 von Endosomen zurück
zur Plasmamembran transportiert. Ein Problem hierbei war, dass BFA außer GNOM
noch andere, GNOM-verwandte Proteine in
der Pflanzenzelle inhibiert. Um zu beweisen, dass die Delokalisation von PIN1 auf
der Inhibition von GNOM beruht, führten
wir Mutationen in das GNOM-Gen ein, die
zu einer BFA-resistenten Proteinvariante
führen. Behandelt man Pflanzen, die eine
solche Proteinvariante exprimieren, mit
BFA, so staut sich PIN1 nicht mehr in intrazellulären Kompartimenten auf (Abb. 1D).
Gleichzeitig zeigen diese Pflanzen BFA-resistenten polaren Auxintransport[6]. Unser
Modell ist nun, dass GNOM für die Funktion und Lokalisierung von Auxin-Effluxtransportern wichtig ist. Deren inkorrekte
Polarisierung verhindert eine koordinierte
Ausrichtung der Einzelzellen und stört damit die übergeordnete Gewebepolarität.
Diese ist wiederum wichtig für die Ausbildung einer embryonalen Achse und der korrekten Etablierung des Keimlings, des Anfangspunkts der gesamten späteren Pflanzenentwicklung.
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Literatur
[1] Galweiler, L., Guan, C., Muller, A., Wisman, E.,
Mendgen, K., Yephremov, A. and Palme, K.
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Arabidopsis vascular tissue. Science 282, 2226–30
[2] Geldner, N., Friml, J., Stierhof, Y. D., Jürgens,
G. and Palme, K. (2001): Auxin transport inhibitors
block PIN1 cycling and vesicle trafficking. Nature 413,
425–428
[3] Mayer, U., Buettner, G. and Jürgens, G. (1993):
Apical-basal pattern formation in the Arabidopsis embryo: Studies on the role of the gnom gene. Development
117, 149–162
[4] Busch, M., Mayer, U. and Jürgens, G. (1996):
Molecular analysis of the Arabidopsis pattern formation
gene GNOM: Gene structure and intragenic complementation. Mol. Gen. Genet. 250, 681–691
[5] Steinmann, T., Geldner, N., Grebe, M., Mangold, S., Jackson, C. L., Paris, S., Galweiler, L.,
Palme, K. and Jürgens, G. (1999): Coordinated polar
localization of auxin efflux carrier PIN1 by GNOM ARF
GEF. Science 286, 316–8
[6] Geldner, N., Anders, N., Wolters, H., Keicher,
J., Kornberger, W., Muller, P., Delbarre, A., Ueda,
T., Nakano, A. and Jürgens, G. (2003): The Arabidopsis GNOM ARF-GEF Mediates Endosomal Recycling,
Auxin Transport, and Auxin-Dependent Plant Growth. Cell
112, 219–230
[7] Hadfi, K., Speth, V. and Neuhaus, G. (1998):
Auxin-induced developmental patterns in Brassica juncea
embryos. Development 125, 879–87
Korrespondenzaddresse:
Niko Geldner
ZMBP, Entwicklungsgenetik
Universität Tübingen
Auf der Morgenstelle 3
D-72076 Tübingen
Niko Geldner
Jahrgang 1972,
1993–1998 Studium der
Biologie an den Universitäten Tübingen und
Bordeaux 2, 1998–2003
Promotion am Zentrum
für Molekularbiologie
der Pflanzen (ZMBP)
bei Prof. Jürgens, Tübingen, 1996 Maîtrise de
Biologie Cellulaire et
Physiologie, seit März
2003 Postdoc in der Abteilung Entwicklungsgenetik unter Leitung von
Prof. Jürgens, Mai 2003
Erhalt eines EMBO Postdoc-Stipendiums für einen zweijährigen Forschungsaufenthalt am
Salk-Institut in La Jolla,
Kalifornien im Labor
von Joanne Chory
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