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Molekulare und funktionelle Charakterisierung pflanzlicher Glutamatrezeptorhomologe

Io­no­tro­pe Glu­ta­mat­re­zep­to­ren sind in Tie­ren be­reits seit vie­len Jahr­zehn­ten be­kannt. Im Ge­hirn von Wir­bel­tie­ren spie­len die­se li­gan­den­ak­ti­vier­ten Io­nen­ka­nä­le ei­ne ent­schei­den­de Rol­le in der Kom­mu­ni­ka­tion zwi­schen Ner­ven­zel­len. Die Sen­der­zel­le schüt­tet da­bei an der Kon­takt­stelle mit der Emp­fänger­zel­le den Bo­ten­stoff Glu­ta­mat aus. Der ak­ti­viert an der Ober­flä­che der Emp­fänger­zel­le Glu­ta­mat­re­zep­to­ren, die darauf­hin ih­ren ein­ge­bau­ten Ka­nal öff­nen und so Ionen in die Zel­le strö­men lassen. Das er­zeugt ein elek­tri­sches Signal, das an­schlie­ßend in der Emp­fänger­zel­le wei­ter­ge­lei­tet wird.

ArabidopsisIm Jahr 1998 ent­deck­te man auch in der Pflan­ze Ara­bidop­sis tha­liana mög­li­che Glu­ta­mat­re­zep­tor­ge­ne. Das war ein über­ra­schen­der Fund, weil Pflan­zen kein Ner­ven­system oder gar Ge­hirn ha­ben. Den­noch be­sitzt Ara­bidop­sis so­gar zwei Glu­ta­mat­re­zep­tor­ge­ne mehr als Wir­bel­tie­re, wie sich nach der Se­quen­zie­rung ih­res Erb­gu­tes im Jahr 2000 her­aus­stell­te. Die Pro­te­ine, die von die­sen Ge­nen ko­diert und als GLRs (glu­ta­mate-like re­cep­tors, glu­ta­mat­ähn­li­che Re­zep­to­ren) be­zeich­net wer­den, ähneln den Glu­ta­mat­re­zep­to­ren der Tie­re so­wohl in ih­rer Se­quenz als auch in ih­rer vor­her­ge­sag­ten Struk­tur. Das leg­te die Ver­mu­tung na­he, daß auch ihre Funk­ti­on ähn­lich ist.

Blühende ArabidopsisDie Funk­ti­on zu er­for­schen er­wies sich je­doch als un­ge­wöhn­lich schwie­rig. Lange Zeit wa­ren nur Ana­ly­sen in der Pflan­ze er­folg­reich, die es aber nicht erlaubten, die mo­le­ku­la­ren Ei­gen­schaf­ten ein­zel­ner GLR-Un­ter­ein­hei­ten di­rekt zu cha­rak­te­ri­sie­ren. In ei­ni­gen Fäl­len lie­ßen sich die be­ob­ach­te­ten Ef­fek­te nicht ein­mal mit letz­ter Si­cher­heit auf GLRs zu­rück­füh­ren. Ins­ge­samt er­gab sich ein sehr viel­fäl­ti­ges Bild mög­li­cher Funk­tionen, dar­un­ter die Re­gu­la­tion des Koh­len­stoff- und Stick­stoff­stoff­wech­sels, des Hor­mon­haus­halts und der Was­ser- und Io­nen­ver­tei­lung in­ner­halb der Pflan­ze so­wie die Re­ak­ti­on auf ver­schie­de­ne Streß­ein­flüs­se aus der Um­welt. Die Un­ter­su­chung ein­zel­ner, iso­lier­ter GLR-Pro­te­ine blieb da­ge­gen lange er­folg­los. Da­her war un­klar, ob sie tat­säch­lich ähn­lich wie die Glu­ta­mat­re­zep­to­ren der Tie­re funk­tionie­ren.

PorenaustauschIm Jahr 2008 konn­ten wir nach­wei­sen, daß ei­ni­ge GLR-Pro­te­ine tat­säch­lich ei­nen funk­tio­nel­len Io­nen­ka­nal be­sit­zen. Da­zu bau­ten wir den Teil des pflanz­li­chen Pro­te­ins, der ver­mut­lich den Io­nen­ka­nal bil­det, in ei­nen tie­ri­schen Glu­ta­mat­re­zep­tor an­stel­le sei­nes ei­ge­nen Io­nen­ka­nals ein. Die Glu­ta­mat­bin­de­stel­le blieb da­bei er­hal­ten, so daß wir den Re­zep­tor mit Glu­ta­mat ak­ti­vie­ren konn­ten. Auf die­se Wei­se un­ter­such­ten wir die ver­mu­te­ten Io­nen­ka­nal­ab­schnit­te von 17 GLR-Un­ter­ein­hei­ten und er­hiel­ten in zwei Fäl­len ei­nen chi­mä­ren Re­zep­tor, der bei Ak­ti­vie­rung durch Glu­ta­mat Io­nen in die Zel­le strö­men ließ. Da­mit war ge­zeigt, daß GLRs aus Ara­bidop­sis prin­zi­pi­ell Io­nen­ka­nä­le bil­den kön­nen.

AtGLR1.4 in OozytenIm An­schluß kon­zen­trier­ten wir uns auf die bei­den GLR-Un­ter­ein­hei­ten, bei de­nen wir in den Chi­mä­ren­ex­pe­ri­men­ten ei­nen funk­tio­nel­len Io­nen­kan­al iden­ti­fi­ziert hat­ten. Die voll­stän­di­gen pflanz­li­chen Re­zep­to­ren re­agier­ten nicht auf Glu­ta­mat, ei­ner von ih­nen ließ sich aber durch an­de­re Ami­no­säu­ren so ak­ti­vie­ren, daß Io­nen in die Zel­le ein­ström­ten. Da­mit war nach­ge­wie­sen, daß zu­min­dest die­se GLR-Un­ter­ein­heit, GLR1.4, ein li­gan­den­ak­ti­vier­ter Io­nen­ka­nal ist, der ähn­lich funk­tio­niert wie die Glu­ta­mat­re­zep­to­ren aus Tie­ren. Ei­ne un­ge­wöhn­li­che Ei­gen­schaft ist aber, daß nicht nur ein de­fi­nier­ter Bo­ten­stoff den Re­zep­tor ak­ti­vie­ren kann, son­dern meh­re­re ver­schie­de­ne, aber mit­ein­an­der ver­wandte Sub­stan­zen. Weil Glu­ta­mat un­wirk­sam ist, kann GLR1.4 nicht als Glu­ta­mat­re­zep­tor be­zeich­net wer­den. In­zwi­schen wur­den auch für ei­ne wei­te­re GLR-Un­ter­ein­heit ähn­li­che Ei­gen­schaf­ten ge­fun­den; auch sie ist ein Io­nen­ka­nal, der durch meh­re­re Ami­no­säu­ren ak­ti­viert wird, al­ler­dings durch an­de­re als der von uns cha­rak­te­ri­sier­te GLR1.4.

Die mei­sten pflanz­li­chen Glu­ta­mat­re­zep­tor­ho­mo­lo­ge sind je­doch noch im­mer völ­lig un­cha­rak­te­ri­siert, ih­re Funk­ti­o­nen in der Pflan­ze sind weit­ge­hend un­klar, und auch die un­ge­wöhn­li­chen Ei­gen­schaf­ten der bis­her un­ter­such­ten Un­ter­ein­hei­ten sind nicht im De­tail ver­stan­den. Wir ar­bei­ten in un­se­rer Grup­pe da­ran, ei­ni­ge der of­fe­nen Fra­gen zu be­ant­wor­ten und da­mit zum bes­se­ren Ver­ständ­nis der wei­ter­hin ziem­lich myste­riö­sen Fa­mi­lie der pflanz­li­chen GLR-Pro­te­ine bei­zu­tra­gen.

Eigene Publikationen zum Thema

  • D. Tapken, U. Anschütz, L.-H. Liu, T. Huelsken, G. Seebohm, D. Becker, and M. Hollmann (2013).
    A plant homolog of animal glutamate receptors is an ion channel gated by multiple hydrophobic amino acids.
    Science Signaling 6(279): ra47.
    doi: 10.1126/scisignal.2003762
    Abstract      Pressemitteilung
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  • D. Tapken and M. Hollmann (2008).
    Arabidopsis thaliana glutamate receptor ion channel function demonstrated by ion pore transplantation.
    Journal of Molecular Biology 383(1): 36-48.
    doi: 10.1016/j.jmb.2008.06.076
    Abstract
     
  • D. Tapken and M. Hollmann (2006).
    Homologs of mammalian glutamate receptors in invertebrates and plants.
    In: Biological and biophysical aspects of ligand-gated ion channel receptor superfamilies, H. Arias, ed. Research Signpost, Trivandrum, pp. 321-382.
    Abstract
     
  • B. Lacombe, D. Becker, R. Hedrich, R. DeSalle, M. Hollmann, J.M. Kwak, J.I. Schröder, N. Le Novère, H.G. Nam, E.P. Spalding, M. Tester, F.J. Turano, J. Chiu, and G. Coruzzi (2001).
    The identity of plant glutamate receptors.
    Science 292(5521): 1486-1487.
    doi: 10.1126/science.292.5521.1486b
    Abstract
     

Doktorarbeiten zum Thema

Diplom- und Masterarbeiten zum Thema

  • Franziska Schmoll
    Untersuchung der Ligandenbindungsdomäne des pflanzlichen Glutamatrezeptorhomologs AtGLR1.4 durch Punktmutagenese
    bis 02.02.2021
    Betreuer: Dr. Daniel Tapken
     
  • Frederik Bodemer
    Elektrophysiologische Untersuchung von Mutanten der Ligandenbindungsdomäne des pflanzlichen Glutamatrezeptorhomologs AtGLR1.4
    bis 21.08.2019
    Betreuer: Dr. Daniel Tapken
     
  • Andrea Mölders
    Untersuchungen zur Rolle funktioneller Domänen pflanzlicher Glutamatrezeptorhomologe
    bis 30.09.2011
    Betreuer: Dr. Daniel Tapken
     
  • Daniel Tapken
    Untersuchung von Glutamatrezeptoren aus Arabidopsis thaliana
    30.11.2001 bis 11.07.2002
     

Bachelorarbeiten zum Thema

  • Rowena Gänsler
    Elektrophysiologische Untersuchung von pflanzlichen Glutamatrezeptorhomologen der Klade 3
    05.10.2021
    Betreuer: Dr. Daniel Tapken
     
  • Laura Moreno Wasielewski
    Untersuchung von Punktmutanten im M3-S2-Linker des pflanzlichen Glutamatrezeptorhomologs AtGLR1.4
    09.09.2021
    Betreuer: Dr. Daniel Tapken
     
  • Maria Jordan
    Punktmutagenese im M3-S2-Linker des pflanzlichen Glutamatrezeptorhomologs AtGLR1.4
    21.09.2020
    Betreuer: Dr. Daniel Tapken
     
  • Janine Theile
    Punktmutagenese in der S2-Domäne des pflanzlichen Glutamatrezeptorhomologs AtGLR1.4
    18.09.2020
    Betreuer: Dr. Daniel Tapken
     
  • N.N.
    Charakterisierung von Chimären in der Linkerregion des pflanzlichen Glutamatrezeptorhomologs AtGLR1.4
    11.09.2019
    Betreuer: Dr. Daniel Tapken
     
  • Sebastian Mesch
    Mutagenese in der Linkerregion des pflanzlichen Glutamatrezeptorhomologs AtGLR1.4
    25.09.2018
    Betreuer: Dr. Daniel Tapken
     
  • Jil Schrader
    Punktmutation in der Porenhelix des pflanzlichen Glutamatrezeptorhomologs AtGLR1.4
    28.09.2017
    Betreuer: Dr. Daniel Tapken
     
  • Klara Scholtissek
    Mutagenese in der Ligandenbindungsdomäne des pflanzlichen Glutamatrezeptorhomologs AtGLR1.4
    28.09.2017
    Betreuer: Dr. Daniel Tapken
     
  • Bilhan Karacora
    Herstellung und Charakterisierung von Chimären innerhalb der Klade 1 pflanzlicher Glutamatrezeptorhomologe
    27.09.2016
    Betreuer: Dr. Daniel Tapken
     
  • Marvin Mann
    Erzeugung und Charakterisierung von Porenchimären pflanzlicher Glutamatrezeptorhomologe
    29.05.2015
    Betreuer: Dr. Daniel Tapken
     
  • Karolina Kleinsimlinghaus
    Punktmutagenese in der Porenregion eines pflanzlichen Glutamatrezeptorhomologs
    06.10.2010
    Betreuer: Dr. Daniel Tapken
     
  • Sonja Kühn
    Konstruktion fluoreszenzmarkierter Arabidopsis thaliana-Glutamatrezeptoren
    07.11.2005
    Betreuer: Daniel Tapken
     

Beteiligte Wissenschaftler

Daniel TapkenDr. Daniel Tapken
Raum NC 6/132
Tel. +49 234 32-24233
Fax +49 234 32-14034
E-Mail


Amina BecicAmina Bećić
Raum NC 6/131
Tel. +49 234 32-27496
E-Mail


Franziska SchmollFranziska Schmoll
Am Lehrstuhl bis 2021


Frederik BodemerFrederik Bodemer
Am Lehrstuhl bis 2019


Thi Hong Thanh LuDr. Thi Hong Thanh Lu
Am Lehrstuhl bis 2018
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Andrea MöldersAndrea Mölders
Am Lehrstuhl bis 2011
Derzeit Universität Düsseldorf
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