Vor über 30 Jahren beobachteten Diekmann und seine Kollegen erstmals, dass Veränderungen in der Vakuolenmorphologie in Schließzellen mit dem Öffnen und Schließen der Stomata einhergehen. Neuere Experimente legen jedoch nahe, dass das traditionelle Verständnis der Vakuolenfusionsmechanismen – insbesondere die Rolle spezifischer Metabolite – komplexer sein könnte als bisher angenommen.
Stomata sind kleine Öffnungen auf der Oberfläche von Blättern, Stängeln und anderen Pflanzenorganen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Bewegung von Wasser, Kohlendioxid und Sauerstoff in die Pflanze hinein und aus ihr heraus.
Jedes Stoma wird von zwei spezialisierten Zellen flankiert, den sogenannten Schließzellen, die ihr Öffnen und Schließen kontrollieren. Das Anschwellen der Schließzellen führt zur Öffnung der Stomata, während die Rückkehr der Schließzellen in ihre ursprüngliche Form zur Schließung führt. Das Volumen der Schließzellen kann um bis zu so viel wie 40% beim Öffnen!
Die Stomata öffnen sich als Reaktion auf Umwelteinflüsse wie Licht, Feuchtigkeit und Kohlendioxidkonzentration. So neigen Stomata dazu, sich tagsüber zu öffnen, wenn Licht für die Photosynthese vorhanden ist, und sich nachts oder bei Dürre zu schließen. Wenn die Stomata geschlossen sind, sind die Vakuolen in den Schließzellen zahlreich und fragmentiert, während die Schließzellen bei geöffneten Stomata eine einzige große Vakuole enthalten. Insbesondere Vakuolen Membranfusion ist notwendig zur vollständigen Öffnung der Stomata.
Der vorherrschende theoretische Rahmen für die Reihe molekularer Prozesse, die zur Vakuolenfusion bei Pflanzen führen, besteht darin, dass nach dem Signal zur Porenöffnung Folgendes geschieht:
- PI3P rekrutiert HOPS zur Vakuolenmembran;
- HOPS verbindet ein Paar Vakuolen und leitet die SNARE-Proteine auf der Vakuolenmembran an, damit diese sich binden und einen HOPS:trans-SNARE-Superkomplex bilden können.
- Der neue Superkomplex verschmilzt die Vakuolenmembranen und HOPS wird freigesetzt, um weitere Fusionen zu katalysieren (Abb. 1).
„Proteinkomplexe“ sind Ansammlungen von zwei oder mehr Proteinen, die miteinander interagieren, um eine bestimmte biologische Funktion zu erfüllen. Das Präfix „trans„“ bezieht sich auf Proteinkomplexe, die sich auf verschiedenen Membranen befinden, während „cis” zeigt an, dass sich die Proteine auf derselben Membran befinden. Wenn SNARE-Proteine durch HOPS zusammengebracht werden und interagieren, bilden sie daher ein trans-SNARE-Komplex; nach der Membranfusion werden sie zu einem cis-SNARE-Komplex.
Die Ergebnisse eines Experiments stellen den aktuellen Rahmen in Frage.
Vakuolen von Blättern, die dem Metaboliten Wortmannin ausgesetzt sind (d. h. Wortmannin-Behandlung), der PI3P entfernt, weiter verschmelzen. Da angenommen wird, dass PI3P für die Rekrutierung von HOPS wichtig ist, könnte man erwarten, dass das Entfernen von PI3P aus diesem System die Fähigkeit der Zelle zur Vakuolenfusion beeinträchtigen würde.
Haben sich die Wissenschaftler bei der Erklärung der Rolle der Metaboliten im Vakuolenfusionsprozess geirrt?
Ein aktueller Artikel in in silico Pflanzen versuchten, dieses Phänomen zu erklären. Der Postdoktorand Dr. Charles Hodgens, früher an der University of Tennessee-Knoxville und jetzt an der North Carolina State University, leitete eine Studie, die die Machbarkeit eines alternativen theoretischen Rahmens zur Wirkungsweise von HOPS und PI3P bei der pflanzlichen Vakuolenfusion entwickelte und testete.
Die Autoren vermuteten, dass das Entfernen von HOPS aus dem HOPS:trans-SNARE-Superkomplex für die Fusion entscheidend sein könnte, was bedeutet, dass HOPS die Vakuolenfusion sowohl fördern als auch hemmen könnte. Um dies zu bestätigen, mussten sie ein Protein identifizieren, das HOPS ersetzen könnte. Da sie in der Pflanzenliteratur keine Hinweise fanden, suchten sie in Hefe nach Hinweisen. Dies führte sie zum Kandidatenprotein Sec17, das für seine Rolle bei der Hefemembranfusion bekannt ist.
Als nächstes wollten die Autoren das Vorhandensein von Sec17 in Pflanzen bestätigen. Sie ermittelten die Aminosäuresequenz für Sec17 und durchsuchten die Proteindatenbank BLASTP für die passende Sequenz in Pflanzen. Sie fanden eine passende Sequenz für ein Protein, das in Schließzellen vorkommt, was darauf hindeutet, dass es in Pflanzen wahrscheinlich dieselbe oder eine verwandte Funktion erfüllt.
Dieser Befund untermauerte ihre Hypothese und veranlasste sie, einen neuen theoretischen Rahmen für die molekularen Prozesse vorzuschlagen, die zur Vakuolenfusion bei Pflanzen führen.
Der Rahmen sieht wie folgt aus:
- HOPS ist rekrutiert zur Vakuole durch PI3P;
- HOPS verbindet ein Paar Vakuolen und Aufsichtspersonen ihre SNARE-Proteine, um einen HOPS:trans-SNARE-Superkomplex zu bilden;
- HOPS verhindert die Fusionsaktivität durch behindernd der Zugang von Sec17. ANach dem Porenöffnungssignal;
- Sek17 reduziert die Bindungsaffinität zwischen HOPS und trans-SNARE;
- HOPS ist Vertriebeneeschriebenen Art und Weise; und
- die Trans-SNARE sicherungen die Vakuolenmembranen.
Die Autoren testeten die Gültigkeit dieses Rahmens mithilfe eines von ihnen entwickelten Simulationsmodells der Vakuolenfusionsdynamik. Dieses Modell integriert etabliertes Wissen über die an der Vakuolenfusion beteiligten molekularen Mechanismen mit Beobachtungen der Vakuolenmorphologie. Diese Beobachtungen wurden von den Autoren gemacht, die mikroskopische Analysen durchführten, um den Zustand und die Geschwindigkeit der Vakuolenfusion in lebenden Zellen zu beobachten.
Das Modell sagte dasselbe Ergebnis voraus wie das beobachtete und bestätigte damit, dass die durch ihr Gerüst beschriebenen molekularen Prozesse korrekt waren.
Nachdem die Autoren mithilfe des Modells bestätigt hatten, dass die Anwesenheit von HOPS im HOPS:trans-SNARE-Superkomplex die Vakuolenfusion hemmt, spekulierten sie darüber, warum die Behandlung mit Wortmannin die Vakuolenfusion nicht verhindert. Nach der Exposition gegenüber Wortmannin, ohne dass PI3P HOPS rekrutiert, wird der HOPS:trans-SNARE-Superkomplex, der die Vakuolenfusion hemmt, nicht gebildet. Sec17 verringert jedoch weiterhin die Bindungsaffinität zwischen HOPS und trans-SNARE der bestehenden HOPS:trans-SNARE-Superkomplexe mit der gleichen Geschwindigkeit, was dazu führt, dass sich HOPS vom Superkomplex löst und eine Vakuolenfusion stattfindet.
Diese Arbeit zeigt den Wert von Modellen bei der Bewertung theoretischer Rahmenbedingungen, um unser Verständnis biologischer Funktionen zu verbessern.
DER ARTIKEL::
Charles Hodgens, DT Flaherty, Anne-Marie Pullen, Imran Khan, Nolan J English, Lydia Gillan, Marcela Rojas-Pierce, Belinda S Akpa, Modellbasierte Inferenz einer Doppelrolle von HOPS bei der Regulierung der Vakuolenfusion von Schließzellen, in silico Plants, 2024;, diae015, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diae015
Der für die Analysen dieses Dokuments verwendete Code ist verfügbar unter https://gitlab.com/hodgenscode/hodgens2023.
