Forschungsbericht 2013 - Friedrich-Miescher-Laboratorium für biologische Arbeitsgruppen in der Max-Planck-Gesellschaft

Erkennung von Steroidhormonen bei Pflanzen

Autoren
Hothorn, Michael
Abteilungen
Forschergruppe Strukturbiologie der Pflanzen
Zusammenfassung
Pflanzen und Tiere haben unabhängig voneinander den Schritt zum Vielzeller gemacht. Beide Lebensformen haben dabei das Konzept entwickelt, das Wachstum ihrer Zellen durch die konzertierte Produktion von Hormonen zu koordinieren. Die Arbeitsgruppe erforscht, welche Rezeptorproteine Pflanzen benutzen, um ein wachstumsförderndes Steroidhormon zu erkennen und in eine Signalantwort zu übersetzen. Dazu werden strukturbiologische und biochemische Methoden mit genetischen Experimenten im Modellsystem Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) kombiniert.

Pflanzen besitzen Hormone, mit denen sie Wachstum und Entwicklung steuern

Pflanzen sind, genauso wie Tiere, Mehrzeller. In einem mehrzelligen Organismus arbeiten viele einzelne Zellen gemeinsam in einem Gewebe oder Organ zusammen. Obwohl Pflanzen keine endokrinen Drüsen und keine Blutgefäße besitzen, stellen sie genau wie Tiere eine Vielzahl von Hormonen her, die unter anderem das Wachstum und die Entwicklung der Pflanze koordinieren. Die Herstellung eines solchen Hormones am gegebenen Ort, dessen Transport zu einem anderen Ort und die Erkennung durch viele Zellen in einem Gewebe ist stets eine spezielle Art der Kommunikation zwischen den Zellen in jeder mehrzelligen Lebensform, egal ob Tier oder Pflanze. Das Prinzip in Tieren und Pflanzen ist dabei interessanterweise dasselbe: Ein chemisch genau definiertes Molekül wird von einer Zelle hergestellt und an die Umgebung abgegeben. Andere Zellen wiederum besitzen Rezeptorproteine, welche genau dieses Molekül erkennen und eine Zellantwort formulieren können.

Die meisten Hormone in Tieren und Pflanzen haben nichts gemeinsam, denn sie haben sich wahrscheinlich unabhängig voneinander entwickelt. Tiere und Pflanzen stellen jedoch Steroidhormone her, die Wachstumsprozesse in beiden Lebensformen steuern.

 Pflanzliche Steroidhormone steuern Wachstum

Steroide sind in Wasser schlecht lösliche, lipophile und bestimmen Fetten ähnliche Moleküle. Wichtige tierische Hormone, wie zum Beispiel die männlichen und weiblichen Sexualhormone der Säugetiere und auch das Häutungshormon der Insekten, gehören zu dieser Stoffklasse. 1979 gelang es mit der Entdeckung des sogenannten Brassinolids in Raps erstmals, ein Steroidhormon in Pflanzen nachzuweisen [1] (Abb. 1). Heute umfasst die Familie der Brassinosteroide mehr als 70 chemische Verbindungen. Die Hauptaufgabe der Brassinosteroide ist es, Wachstum und Entwicklung der Pflanze zu steuern.

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Abb. 1: Die chemischen Strukturen der pflanzlichen Steroide (Brassinolid aus Raps, links), des Häutungshormons der Insekten (Ecdyson) und der Sexualhormone der Säuger (Beispiel Testosteron) sind ähnlich.
Abb. 1: Die chemischen Strukturen der pflanzlichen Steroide (Brassinolid aus Raps, links), des Häutungshormons der Insekten (Ecdyson) und der Sexualhormone der Säuger (Beispiel Testosteron) sind ähnlich.

Pflanzen erkennen Steroide auf eine bemerkenswerte Art

Die Herstellung synthetischer Brassinosteroide erlaubte es, gezielt die Effekte dieser Substanzen auf das Pflanzenwachstum hin zu untersuchen. In der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) gelang es, Mutanten zu charakterisieren, die nicht mehr in der Lage sind, das Hormon herzustellen oder es als Signal zu erkennen (Abb. 2). Solche kleinwüchsigen Mutanten konnten benutzt werden, um jene pflanzlichen Gene zu kartieren, die für die Herstellung und die Erkennung der Brassinosteroide wichtig sind. Es zeigte sich, dass die Herstellung von Steroidhormonen in Pflanzen und Tieren zwar ähnlich funktioniert, die Erkennung des fertigen Hormons aber ganz anders verläuft. Da Steroide fettliebende Substanzen sind, können sie in tierischen Zellen einfach die Zellmembran passieren und in den Zellkern gelangen, wo sich die Erbsubstanz befindet. Dort binden sie direkt an spezielle Rezeptorproteine, die ihrerseits wiederum Gene direkt an- oder abschalten können. Pflanzliche Brassinosteroide hingegen werden an der Zellmembran aufgehalten und von einem dort verankerten Rezeptorprotein erkannt, das nachfolgend das Signal über eine umfassende Signalkette in den Zellkern transportiert [2]. Warum pflanzliche Zellen das Hormon nicht direkt im Zellkern akzeptieren, ist nicht bekannt. Ein möglicher Grund könnte sein, das Pflanzen keine Rezeptorproteine für Steroide im Zellkern besitzen.

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Abb. 2: Steroidhormone sind essenziell für das Wachstum von Pflanzen. Im Bild der Vergleich zweier Ackerschmalwandpflanzen (Arabidopsis thaliana). Der kleinwüchsigen Mutante rechts im Bild fehlt der Brassinosteroid-Rezeptor.
Abb. 2: Steroidhormone sind essenziell für das Wachstum von Pflanzen. Im Bild der Vergleich zweier Ackerschmalwandpflanzen (Arabidopsis thaliana). Der kleinwüchsigen Mutante rechts im Bild fehlt der Brassinosteroid-Rezeptor.

Der pflanzliche Steroidrezeptor - ein Multitalent

Der in der Membran verankerte Brassinosteroid-Rezeptor wurde zuerst in der Ackerschmalwand entdeckt [3] und scheint in allen Landpflanzen vorhanden zu sein. Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit dem Mechanismus, der den Rezeptor in die Lage versetzt, spezifisch Brassinosteroide zu erkennen, das erkannte hormonelle Signal durch die Zellmembran zu leiten und die nachfolgende Signalkette anzustoßen.

Der Rezeptor gehört zu einer Familie von Rezeptorproteinen, die es nur in Pflanzen gibt. Sie besitzen auf der Zelloberfläche eine Bindestelle für fettliebende Steroidhormone, einen Anker, der sie in der Membran festhält, und ein enzymatisch aktives Zentrum im Zellinneren, mit dem der Rezeptor Phosphatgruppen auf sich selbst und auf andere Proteine übertragen kann. Proteine mit diesen Eigenschaften werden auch Rezeptorkinasen genannt.

Die Raumstruktur der Steroidbindestelle zeigt, dass der außen liegende Teil des Rezeptors einer Wendeltreppe ähnelt, an deren Innenseite das Steroid gebunden wird [4] (Abb. 3); dabei werden chemische Gruppen des Hormons direkt vom Rezeptor erkannt. Diese genaue Erkennung erlaubt es, die Klasse pflanzlicher Hormone spezifisch zu erkennen. Das ist essenziell für die Funktion des Rezeptors, der nämlich ein bestimmtes Molekül aus einem Gemisch von zigtausenden erkennen muss.

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Abb. 3: Raumstruktur der sich an der Zelloberfläche befindenden Bindestelle des pflanzlichen Steroidrezeptors. Gezeigt ist die Seitenansicht (links) und Draufsicht (rechts) der „Wendeltreppe“. Das Steroidhormon (gelb) ist in einer Tasche (rot) auf der Innenseite der Treppe gebunden.
Abb. 3: Raumstruktur der sich an der Zelloberfläche befindenden Bindestelle des pflanzlichen Steroidrezeptors. Gezeigt ist die Seitenansicht (links) und Draufsicht (rechts) der „Wendeltreppe“. Das Steroidhormon (gelb) ist in einer Tasche (rot) auf der Innenseite der Treppe gebunden.

Durch genetische und biochemische Experimente konnte ein Helferprotein gefunden werden, das nur dann an den Rezeptor bindet, wenn dieser ein Brassinosteroid erkannt hat [5, 6]. Das Hormon fungiert dabei wie eine Art Klebstoff, der den Rezeptor mit dem Helferprotein an der Zelloberfläche verbindet (Abb. 4). Dadurch kommt im Zellinneren auch der enzymatische Teil des Rezeptors in die Nähe des Helferproteins und beginnt, Phosphatgruppen auf dieses zu übertragen [7]. Dadurch wiederum wird das Helferprotein aktiviert und kann nun ebenfalls Phosphatgruppen auf den Rezeptor und auf andere Glieder der Signalkette weitergeben. Dies führt am Ende im Zellinneren zur Erkennung des Signals und im Zellkern zum Abruf eines genetischen Programms, das die Pflanze zum Wachstum anregt. Das Programm ist sehr kompliziert und es ist bislang unklar, welche Faktoren das Wachstum auslösen. Unter anderem werden aber Stoffwechselwege aktiviert, die die einzelnen Zellen der Pflanze veranlassen, sich zu strecken und sich dadurch zu verlängern.

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Abb. 4: Aktivierungsmodell des pflanzlichen Steroidrezeptors. In Schritt 1 (links) bindet der Rezeptor (blau) das Steroidhormon (gelb) auf der Zelloberfläche. In Schritt 2 (Mitte) wird das Helferprotein (orange) rekrutiert, das an den Rezeptor bindet. In Schritt 3 (rechts) binden Rezeptor, Hormon und Helferprotein aneinander, was im Zellinneren die Übertragung von Phosphatresten ermöglicht.
Abb. 4: Aktivierungsmodell des pflanzlichen Steroidrezeptors. In Schritt 1 (links) bindet der Rezeptor (blau) das Steroidhormon (gelb) auf der Zelloberfläche. In Schritt 2 (Mitte) wird das Helferprotein (orange) rekrutiert, das an den Rezeptor bindet. In Schritt 3 (rechts) binden Rezeptor, Hormon und Helferprotein aneinander, was im Zellinneren die Übertragung von Phosphatresten ermöglicht.

Wichtige Details

Diese genauen Kenntnisse der Reihenfolge und Art der chemischen Prozesse bei der pflanzlichen Steroiderkennung ermöglichen es nunmehr, neue präzise Ideen zu entwickeln und diese experimentell zu testen. So werden zurzeit, basierend auf der Raumstruktur des Rezeptors, synthetische Brassinosteroide hergestellt und charakterisiert. Solche speziell angepassten Moleküle könnten es in Zukunft erlauben, den Rezeptor beliebig und zeitgenau an- und ausschalten. Solche neuen chemischen Verbindungen sind in erster Linie für die Grundlagenforschung interessant, denn mit ihnen ließe sich die genaue Rolle der Brassinosteroide in der pflanzlichen Entwicklung besser verstehen.

Eine denkbare praktische Anwendung solcher Studien könnte darin bestehen, das Wachstum von Nutzpflanzen quasi von außen chemisch zu steuern. Dazu ist es aber nötig, viele weitere pflanzliche Signalketten, die mit der Steroiderkennung interagieren, zu entschlüsseln und ihre genaue Funktionsweise zu beschreiben. Entwicklung und Wachstum von Pflanzen werden nämlich nicht allein von Brassinosteroiden geregelt, sondern von einer Vielzahl verschiedener Signalwege, die miteinander verbunden sind und nur durch exaktes Zusammenspiel ein konzertiertes Wachstum ermöglichen.

Literaturhinweise

1.
Grove, M. D.; Spencer, G. F.; Rohwedder W. K.; Mandava N.; Worley, J. F.; Warthen, J. R.; Steffens, G. L.;  Flippen-Anderson, J. L.; Carter Cook Jr, J. R.
Brassinolide, a plant growth-promoting steroid isolated from Brassica napus pollen
Nature 281, 216-217 (1979)
2.
Clouse, S. D.
Brassinosteroids
Arabidopsis Book 9, e0151 (2011)
3.
Li, J.; Chory, J.
A putative leucine-rich receptor kinase involved in brassinosteroid signal transduction
Cell 90, 929-938 (1997)
4.
Hothorn, M.; Belkhadir, Y.; Dreux, M.; Dabi, T.; Noel, J. P.; Wilson, I.A.; Chory, J.
Structural basis of steroid hormone perception by the receptor kinase BRI1
Nature 474, 467-471 (2011)
5.
Nam, K. H.; Li, J.
BRI1/BAK1, a receptor kinase pair mediating brassinosteroid signaling
Cell 110, 203-212 (2002)
6.
Jaillais, Y.; Belkhadir, Y.; Balsemão-Pires, E.; Dangl, J. L.; Chory, J.
Extracellular leucine-rich repeats as a platform for receptor/coreceptor complex formation
Proceedings of the National Academy of Sciences USA 108, 8503-8507 (2011)
7.
Wang, X.; Kota, U.; He, K.; Blackburn, K.; Li, J.; Goshe, M. B.; Huber, S. C.; Clouse, S. D.
Sequential transphosphorylation of the BRI1/BAK1 receptor kinase complex impacts early events in brassinosteroid signaling
Developmental Cell 15, 220-235 (2008)
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