Stoffwechselforschung

Wissenschaftler blockieren Pflanzenhormon

Wer Neues über den Stoffwechsel von Pflanzen erfahren will, kann einzelne Gene abschalten und die Veränderungen studieren. Erich Kombrink vom Max Planck Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und Markus Kaiser von der Universität Duisburg-Essen gehen einen anderen Weg. Sie identifizieren kleine Moleküle, die sich wie Bremsklötze in den Stoffwechsel einfügen und die nachfolgenden Reaktionen blockieren.

Jarin 1 hemmt das Enzym JAR1, indem es dort bindet, wo normallerweise nur das natürliche Substrat Platz nimmt - die mit Isoleucin beladene Jasmonsäure (JA-Ile). Beide Substanzen verhaken sich so ineinander, dass JAR 1 seine Aufgaben nicht mehr erfüllen kann. Das linke Bild zeigt eine Übersicht über das ganze Enzym, das rechte Bild einen Blick in das aktive Zentrum. © Corey S. Westfall, Washington University, St. Louis

Für die Suche nach diesen Molekülen benutzen sie ein biologisches Selektionsverfahren mit intakten Pflanzen. Die Medizin verwendet dieses Prinzip seit jeher in der Therapie. Für die Pflanzenforschung ist es ein relativ neuer Ansatz.

Kombrink, Kaiser und ihre Kollegen haben ein Molekül identifiziert, das die Wirkung der Jasmonsäure ausbremst. Das Pflanzenhormon beeinflusst die Blütenbildung, das Wurzelwachstum, den Fraß- und Infektionsschutz, die Wundheilung, die Alterung der Pflanzen und vieles mehr.

Zwar lassen sich viele Fragen zum Stoffwechsel der Pflanzen durch gezielte Genmutationen beantworten, aber diese Vorgehensweise hat ihre Grenzen. Das zeigt der Blick auf die Jasmonsäure und ihre Abkömmlinge. Bisher ist nur eine einzige Signalkette entdeckt worden, die aber nicht die breite Wirkung der Jasmonsäure erklären kann. Es muss also noch andere, bisher unentdeckte Signalwege und Wirkmechanismen geben.

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Um mehr darüber zu erfahren, gehen Kombrink und Kaiser ähnlich vor wie die Medizin. Sie setzen auf die Blockade wichtiger Stoffwechselwege durch niedermolekulare Verbindungen, die leicht aufgenommen werden. Bei einer medizinischen Therapie werden solche Verbindungen über das Blut aufgenommen, in der Pflanze über die Wurzel.

Die Wissenschaftler haben ihre Suche mit einer Reihenuntersuchung in Arabidopsis thaliana begonnen und die Pflanzen so präpariert, dass die gewünschte Selektion an einem augenfälligen Merkmal zu erkennen war. Von den 1728 getesteten Verbindungen einer kommerziellen Substanzbibliothek kamen 16 Verbindungen als Inhibitoren in Frage. Diese Anzahl wurde durch weitere Untersuchungen eingegrenzt.

Am Ende entpuppte sich nur eine Substanz als spezifischer Inhibitor für den Jasmonsäure-Signalweg. Sie erhielt den Namen Jarin-1. "Die Substanz ist von der Grundstruktur her ein pflanzliches Alkaloid, dessen Aminogruppen unterschiedliche Seitenketten tragen können", erklärt Kombrink das Ergebnis. "Die Wirkung ist aber an eine ganze bestimmte Seitenkette gebunden. Andere Seitenketten entwerten die Substanz. Wir haben sie extra neu synthetisiert, um sicher zu sein, dass wir ihre chemische Struktur richtig verstanden haben."

Die Wissenschaftler haben auch nach dem Angriffspunkt des neu entdeckten Inhibitors gesucht. Die bisher bekannte Signalkette beginnt damit, dass ein Enzym mit dem Namen JAR1 die Jasmonsäure mit der Aminosäure Isoleucin verknüpft. Dieses Duo führt über Umwege dazu, dass die Gene, die für die jeweilige Wirkung der Jasmonsäure nötig sind, abgelesen werden. Kombrink und Kaiser konnten zeigen, dass JAR1 der Angriffspunkt für den neuentdeckten Inhibitor ist. Durch die Hemmung sammelt sich keine mit Isoleucin verknüpfte Jasmonsäure in der Zelle an. In der Folge werden auch keine Gene abgelesen, weil das Duo nicht mehr dafür sorgt, dass der Startpunkt der Gene freigeräumt wird.

Das von Kombrink und Kaiser identifizierte Jarin-1 funktioniert nicht nur in Arabidopsis, sondern auch in Cardamine hirsuta, dem Behaarten Schaumkraut. "Wir haben es also offensichtlich mit einem breit einsetzbaren Molekül zu tun", kommentiert Kombrink diesen Befund. Unter der Wirkung des Inhibitors zeigen die Pflanzen das gleiche Erscheinungsbild wie nach einer gezielten Mutation von Genen aus dem Signalweg der Jasmonsäure.

Die Wissenschaftler haben zudem untersucht, wo das Molekül genau angreift. Sie konnten zeigen, dass es an das aktive Zentrum von JAR1 bindet und die natürlichen Substrate behindert. "Unser Molekül ist kein klassischer kompetitiver Inhibitor", sagt Kombrink. "Aber seine Wirkung kann in Teilen mit der Verdrängung des Substrats erklärt werden."

Kleine Moleküle sind interessante neue Werkzeuge für die Pflanzenforschung. Mit ihrer Arbeit zeigen die Forscher, wie man systematisch danach suchen und ihre Wirkung ermitteln kann.

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