Analyse der Struktur und Funktion von pflanzlichen sHSPs

Abstract

In Pflanzen werden im Zuge transienter Anpassungen an übermäßige Wärmeeinwirkung, der sogenannten Akklimatisierung oder Härtung, unter anderem Hitzestressproteine exprimiert. Diese wurden aufgrund ihres molekularen Gewichtes in verschiedene Klassen unterteilt (HSP100, 90, 70, 60, 40). Alle induzierten Proteine mit einem molekularen Gewicht unter 40 kDa wurden in die Klasse der kleinen Hitzestressproteine (sHSPs) eingeordnet. Besonders bei Pflanzen wurde im Vergleich zu anderen Organismen eine große Zahl an sHSPs gefunden. Aufgrund der Vielzahl der gefundenen sHSPs wurden diese nach ihrer zellulären Lokalisation in verschiedene Unterklassen unterteilt. Die zytoplasmatische Unterklasse hatte die meisten Mitglieder, so dass anhand von Sequenzstudien eine weitere Unterteilung der zytoplasmatischen sHSPs stattfand. In Arabidopsis waren die größten Klassen die zytosolischen Klassen 1 und 2, mit sechs und zwei Mitgliedern. sHSPs können andere entfaltete oder sich entfaltende Proteine binden, um diese vor Denaturierung durch unspezifische Interaktionen (Aggregation) zu schützen. Aufgrund der Vielzahl der Mitglieder der zytosolischen Klassen 1 und 2 stellte sich die Frage der funktionellen Redundanz, so dass eine vergleichende Katalogisierung der Eigenschaften der einzelnen Mitglieder durchgeführt werden sollte. Ausgehend von einer vergleichenden Interaktionsanalyse wurde die Struktur und Funktion von sHSPs der zytosolischen Klassen 1 und 2 aus Arabidopsis untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die untersuchten sHSPs nicht allein aufgrund ihres dokumentierten Verhaltens einer zytosolischen Klasse einzuordnen waren. Nicht alle Klasse 2 Proteine zeigten während den durchgeführten in vivo Lokalisationsstudien eine für diese Klasse typische Hitze induzierbare Heat Stress Granules Bildung (HSG). Eine Rekrutierung von Klasse 1 Protein in von Klasse 2 sHSPs gebildete HSG oder eine Erhöhung der Löslichkeit der Klasse 2 Proteine (Rückbildung von HSG) durch Expression mit Klasse 1 sHSPs wurde nicht beobachtet. Hefe basierte Interaktionsanalysen von sHSPs bestätigten, dass intra-Klassen Heterodimere (Heterodimere gebildet durch sHSP Monomere derselben Klasse) möglich waren. Heterodimere aus Monomeren der verschiedenen zytosolischen Klassen konnten nicht detektiert werden. Es wurden jedoch Interaktionen von in vitro vorliegenden quartären sHSP Strukturen unterschiedlicher Klassen beobachtet, wenn auch die genaue Stöchiometrie nicht näher definiert werden konnte. Interagierende sHSPs zeigen keine Änderung der Sekundärstrukturen der einzelnen Interaktionspartner. Die für sHSPs der Klasse 1 typische temperaturinduzierte Dissoziation der quartären Struktur (Oligomere), wie auch die für eukaryotische Organismen typische Anzahl an Untereinheiten (12 Monomere) wurde nur für einige der untersuchten sHSPs beobachtet.Die vergleichend untersuchten sHSPs zeigten trotz der vielfältigen beobachteten Interaktionen, dem unterschiedlichen zytosolischen Verteilungsmuster, sowie den sehr heterogenen quartären Strukturen, die gleiche Funktion. Das Resultat des beobachteten Schutzmechanismus war bei allen sHSPs unabhängig vom getesteten Klienten (Malatdehydrogenase oder CPH1& #8710;2) gleich, wenn auch der Klient bei der Klient / sHSP-Komplex Bildung, je nach getesteten sHSP unterschiedlich effizient gebunden wurde. Spezifität für nur eines der beiden getesteten Klienten wurde nicht beobachtet. Unter denaturierenden Bedingungen an sHSPs gebundene Klienten blieben löslich, waren aber nicht funktionell. Diese gebildeten Klient / sHSP-Komplexe waren bei RT stabil und dissoziierten nicht von alleine. Trotz der beobachteten Vielfalt der verschiedenen untersuchten strukturellen Aspekte scheint ein allgemeiner Mechanismus innerhalb dieser sHSP Klassen zu existieren, der es diesen ermöglicht fast jedes beliebige denaturierende Peptid zu erkennen und zu schützen.