Die Bedeutung von AQUAPORIN INTERACTOR 1 (AQI1) für die Zelltodregulation in Pflanzen

Abstract

Programmed cell death (PCD) is an important process during development, senescence and pathogen defence in plants and in animals. It is a genetically regulated and targeted cell suicide of single cells, for benefit of the whole organism. In plants, PCD is of great importance, especially in the course of the “hypersensitive response” (HR). For protecting themselves against harmful intruders, infected plant cells are directly deposed of by PCD. The developing local lesions act as a barrier between host plant and pathogen. This prevents the systemic expansion of biotrophic pathogens within the whole plant. The induction of PCD involves complex signal transduction pathways. Reactive oxygen species (ROS), in particular H₂O₂, play an important role as signal molecules during PCD. The transport of H₂O₂ across cell membranes is conducted by aquaporins. As the vitality of cells depends on intracellular H₂O₂-levels, a spatiotemporal control of this H₂O₂-transport is indispensable. AQUAPORIN INTERACTOR 1 (AQI1) was isolated as a potential regulator of the channel function of aquaporins. AQI1 is a plant protein with sequence homology to the mammal aminoacylase 1. It is known, that aminoacylases catalyse the hydrolysis of acyl-amino acids. However, the physiological function of these enzymes is still unclear. This study represents the first characterisation of an aminoacylase (AQI1) in plants. The physiological function of AQI1 as a regulator of aquaporins, as well as the underlying molecular mechanisms, have been analysed. In addition to deacetylation of amino acids, a second function of the protein AQI1 was discovered. AQI1 interferes with the channel activity of aquaporins by protein-protein interaction. In this way, AQI1 is able to inhibit the H₂O₂-, and to a certain extent also the H₂O-influx, through aquaporins. Probably, this happens by blocking the aquaporinpore. Due to this function, AQI1 is a major component in cell death regulation in plants. During the „hypersensitive response“ (HR), which is induced as a result of pathogen attack, AQI1 accumulates to high levels to prevent the influx of toxic amounts of H₂O₂ into neighbouring cells. This ensures a local control of PCD. In addition, AQI1 seems to be involved in regulation of senescence processes. It could be demonstrated, that AQI1 accumulates in a gradient from juvenile to senescent leaves, due to degradation in older tissues. By this age-dependent accumulation, AQI1 could contribute to the vitality of leaves, by preventing the influx of excessive amounts of H₂O₂ into the cell.

Der programmierte Zelltod (PCD) stellt einen wichtigen Prozess bei der Entwicklung, Seneszenz und Pathogenabwehr von Pflanzen und Tieren dar. Zum Wohle des Gesamtorganismus kommt es zum genetisch regulierten und gezielten Selbstmord einzelner Zellen. Bei Pflanzen ist PCD vor allem im Rahmen der „hypersensitiven Abwehrreaktion“ (HR) von enormer Wichtigkeit. Sie schützen sich vor schädlichen Eindringlingen, indem infizierte Pflanzenzellen durch PCD gezielt getötet werden. So wird eine räumliche Barriere zwischen Wirt und Pathogen geschaffen und die systemische Ausbreitung von biotrophen Pathogenen verhindert. Die Induktion von PCD erfolgt über komplexe Signalwege. Als Signalsubstanzen spielen reaktive Sauerstoffspezies (ROS), vor allem H₂O₂, eine wesentliche Rolle. Der Transport von H₂O₂ über Zellmembranen hinweg erfolgt über Aquaporine. Da intrazelluläre H2O2-Konzentrationen darüber entscheiden wie vital eine Zelle ist, ist die räumliche und zeitliche Kontrolle dieses H₂O₂-Transports unabdingbar. Als potentieller Regulator der Kanalfunktion der Aquaporine wurde das Protein AQUAPORIN INTERACTOR 1 (AQI1) isoliert. Bei AQI1 handelt es sich um ein pflanzliches Protein mit Homologie zu Aminoacylase 1 aus Säugern. Über Aminoacylasen ist bekannt, dass sie die Hydrolyse acylierter Aminosäuren katalysieren. Die physiologische Funktion dieser Enzyme ist bisher jedoch kaum verstanden. In dieser Arbeit erfolgte erstmals die Charakterisierung einer Aminoacylase (AQI1) aus Pflanzen. Es wurde die physiologische Funktion von AQI1 als Regulator von Aquaporinen, sowie die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen analysiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass das pflanzliche Protein AQI1, neben der Deacetylierung von Aminosäuren, eine weitere Aufgabe erfüllen kann. Durch Protein-Protein Interaktion nimmt AQI1 Einfluss auf die Kanalaktivität von Aquaporinen. AQI1 kann den H₂O₂-Einstrom, sowie den H₂O-Einstrom durch Aquaporine inhibieren. Dies erfolgt vermutlich in Form einer Blockade der Aquaporinpore. Durch diese Funktion ist AQI1 wesentlich an der Zelltodregulation in Pflanzen beteiligt. Im Zuge der HR kommt es zur vermehrten Akkumulation von AQI1. Dies verhindert den Eintritt toxischer Mengen H₂O₂ in die Nachbarzellen, um so die lokale Kontrolle des PCD zu gewährleisten. Zudem scheint AQI1 an der Regulation von Seneszenzprozessen beteiligt zu sein. Es konnte gezeigt werden, dass AQI1 einem Altersgradienten folgend, in jungem Blattgewebe stark akkumuliert, wohingegen es in älterem Blattgewebe abgebaut wird. Durch diese altersabhängige Akkumulation könnte AQI1 zur Vitalität von Blättern beitragen, indem es in jungen Blättern den Eintritt zu hoher H₂O₂-Konzentrationen in die Zellen verhindert.