Signalweg in den Zellkern

Ein Forschungsteam der Universität Freiburg hat herausgefunden, wie das Pflanzenhormon Auxin innerhalb der Zelle transportiert wird und wie dieser Signalweg dazu beiträgt, das Ablesen von Genen im Zellkern zu steuern. Auxin reguliert in Pflanzen eine Vielzahl von Prozessen – von der Embryonalentwicklung zur Bildung von Organen bis hin zu Reaktionen auf Veränderungen in der Umwelt. Das Team hat seine Studie im Fachjournal „Cell Reports“ veröffentlicht.

Wissenschaftliche Modelle gehen davon aus, dass Auxin zur Erfüllung seiner Funktion mit weiteren Proteinen zusammenspielt: mit Rezeptoren im Zellkern, an die es binden kann, mit Transkriptionsfaktoren, die das Ablesen von Genen auslösen, und mit transkriptionalen Repressoren, die dieses Ablesen verhindern. Erhöht sich der Auxin-Gehalt im Zellkern, bilden Rezeptoren und Repressoren so genannte Co-Rezeptor-Komplexe. Sind die Repressoren auf diese Weise gebunden, können die Transkriptionsfaktoren das Ablesen von Genen in Gang bringen. Da der Auxin-Gehalt im Zellkern für diese Vorgänge offenbar maßgeblich ist, ging das Team der Frage nach: Wie gelingt es Auxin, in den Zellkern einzudringen, und wie wird dieser Prozess gesteuert?

Um dies zu ergründen, setzten die Freiburger Forscherinnen und Forscher, unterstützt von Kolleginnen und Kollegen aus München und Okayama/Japan, neuartige fluoreszierende, Auxin nachahmende Moleküle in einzelne Zellen ein. Damit gelang es ihnen, die Ansammlung von Auxin in der Zelle nachzubilden, ohne die von Auxin im Zellkern ausgelösten Prozesse zu starten. Sie zeigten, dass sich das Ersatzmolekül vor allem im Endoplasmatischen Reticulum (ER) konzentrierte. Das ER ist ein flaches Röhrensystem, das die Kernmembran erweitert und daher direkt mit dem Zellkern verbunden ist.

Im nächsten Schritt untersuchte das Team, wie das ER, der Kern sowie weiteren Zellbestandteile im Hinblick auf die Auxin-Aufnahme in den Kern zusammenspielen. Gegenwärtig gibt es jedoch keine geeigneten Methoden, um den Auxin-Transport zwischen verschiedenen Untereinheiten der Zelle direkt zu messen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entwickelten daher einen theoretisch-experimentellen Ansatz, der es ihnen erlaubte, mithilfe einer Kombination von Mikroskopie-Technik, quantitativer Datenanalyse und mathematischer Modellierung zu beobachten, wie einzelne Pflanzenzellen auf das zeitlich abgestufte Einbringen von Auxin reagieren. Aus ihren Ergebnissen folgerten sie, dass es sich beim Auxin-Fluss aus dem ER in den Kern um einen bedeutenden Signalweg innerhalb der Zelle handelt, der eine dominante Rolle dabei spielt, den Auxin-Gehalt im Zellkern zu regulieren – und der damit die Prozesse, die Auxin dort auslöst, maßgeblich unterstützt.

An der Studie waren Dr. Cristina Dal Bosco, Dr. Alexander Dovzhenko und Prof. Dr. Klaus Palme von der Abteilung für Molekulare Pflanzenphysiologie am Institut für Biologie II und Dr. Alistair Middleton und Prof. Dr. Christian Fleck vom Zentrum für Systembiologie (ZBSA) der Universität Freiburg beteiligt. Klaus Palme ist Mitglied des Freiburger Exzellenzclusters BIOSS Centre for Biological Signalling Studies.

Originalpublikation:

Middleton, A. M., Dal Bosco, C, Chlap, P, Bensch, R., Harz, H., Ren, F., Bergmann, S., Wend, S., Weber, W., Hayashi, K., Zurbriggen, M.D., Uhl, R., Ronneberger, O., Palme, K., Fleck, C., Dovzhenko, A. (2018): Data-driven modeling of intracellular auxin fluxes indicates a dominant role of the ER in controlling nuclear auxin uptake. In: Cell Reports.