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Yasin Dagdas, GMI-Gruppenleiter © GMI/Zehetner
Yasin Dagdas, GMI-Gruppenleiter © GMI/Zehetner

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Autophagie: Recycling-Zentrum der Pflanzen erforscht

14.01.2020

Pflanzen sind wahre Meister darin, sich an ihre Umwelt anzupassen. Um auf veränderte Umweltbedingungen wie Dürre, extreme Temperaturen oder Krankheitserreger zu reagieren leiten sie neue zelluläre Programme ein, die die passenden Proteine für die jeweilige Situation produzieren. Eine neue Forschungsarbeit eines internationalen Teams aus Dänemark, Österreich und Norwegen hat nun gezeigt, dass Pflanzen auch imstande sein müssen alte zelluläre Programme zu löschen, damit das neue Anpassungsprogramm etabliert werden kann.

Dies geschieht mit einem Prozess, der Autophagie genannt wird. Dabei werden beschädigte oder unerwünschte Zellkomponenten erkannt und anschließend recycelt. Autophagie ist ein evolutionär hochkonservierter Prozess, der im Pflanzen- und im Tierreich vorkommt, und viele zelluläre Prozesse reguliert. Dennoch war die genaue Aufgabe der Autophagie bis jetzt unklar, da bisherige Forschungsarbeiten oft widersprüchliche Effekte bei Autophagie-Mutanten gezeigt haben.

In der neuen im Fachjournal EMBO J publizierten Studie, setzten die Forscher verschiedene chemische Stimuli ein, um die zelluläre Reprogrammierung einzuleiten. Diese Stimuli reichten von Immunreaktion-auslösenden Pathogenmolekülen , bis hin zu Wachstumshormonen. In allen Fällen konnten die Forscher eine unmittelbar ausgelöste Autophagie beobachten und damit zeigen, dass dieser Prozess eine aktive Rolle bei der Zell-Reprogrammierung spielt. Nach mehreren Stunden kehrt die Autophagie-Aktivität auf ein normales Niveau zurück, wird aber bei einem erneuten Stimulus wieder aktiviert. Durch Messungen des Proteingehalts der Zellen fanden die Forscher heraus, dass durch Autophagie tatsächlich nicht mehr benötigte Proteine entfernt wurden. Unerwarteterweise zeigte sich auch, dass die Autophagie die Intensität des neuen Programms steuert, indem sie die Menge der neu produzierten Proteine reguliert.

Pflanzen sind für ihre Fähigkeit bekannt, dass sie spezialisierte Zelltypen zurück in Stammzellen umwandeln können, und anschließend aus ihnen neue Organe wachsen lassen können. Das ist der Grund, warum sich aus einem Blattstängel im Wasser Wurzeln entwickeln können und eine komplette, neue Pflanze entsteht. In ihrer Arbeit fanden die Forscher heraus, dass Autophagie bei diesem Prozess eine Schlüsselrolle einnimmt: Mutanten mit defekter Auophagie brauchten wesentlich länger zur Dedifferenizerung in neue Stammzellen. und bildeten anschließend zu viele Organe. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Autophagie die Fähigkeit reguliert, auf neue Signale zu reagieren.

Yasin Dagdas vom Wiener Gregor Mendel Institut der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, einer der Hauptautoren der Studie: "Unser Daten sind der überzeugende Beweis, dass eine der Hauptaufgaben der Autophagie das Fein-Tuning zellulärer Programme ist. Der Verlust der Autophagie hat gravierende Konsequenzen auf mehreren Ebenen. Dies hat bisher zu Verwirrung über die Rolle der Autophagie geführt."

Morten Petersen von der Universität von Kopenhagen ergänzt: "Wir denken, dass das von uns entwickelte Konzept das Feld der Autophagie weiterentwickeln wird. Dies betrifft auch die Tierwelt: Dort hat sich gezeigt, dass die Autophagie eine Rolle bei Krankheiten wie Alzheimer, Arthrose oder Krebs spielt."

Die Arbeit wurde durch Novo Nordisk Fonden (NNF16OC0021618), FWF (P32355, SFB F3402, TRP 308-N15), WWTF (LS17-047), ERA-CAPS (I 3686) und dem Interreg-RIATCZ-Projekt finanziert.

DOI: https://doi.org/10.15252/embj.2019103315

Über das GMI

Das Gregor Mendel Institut für Molekulare Pflanzenbiologie (GMI) wurde von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) im Jahr 2000 gegründet, um Spitzenforschung in der molekularen Pflanzenbiologie zu fördern. Das GMI gehört zu den weltweit wichtigsten Pflanzenforschungseinrichtungen. Mit mehr als 130 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern aus 35 Ländern erforscht das GMI primär die Grundlagen der Pflanzenbiologie, vor allem molekulargenetische Aspekte wie epigenetische Mechanismen, Populationsgenetik, Chromosomenbiologie, Stressresistenz und Entwicklungsbiologie. Das GMI befindet sich in einem modernen Laborgebäude der Österreichischen Akademie der Wissenschaften am Vienna BioCenter, gemeinsam mit mehreren Forschungsinstituten sowie Biotechnologie-Firmen.

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