@phdthesis{Lind2016,
  author    = {Lind, Christof Martin},
  title     = {W{\"a}hrend der Evolution von Landpflanzen geriet der Anionenkanal SLAC1 unter die Kontrolle des ABA-Signalwegs},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-141669},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Die ersten Landpflanzen standen vor der Herausforderung sich mit der wechselnden Verf{\"u}gbarkeit von Wasser an Land arrangieren zu m{\"u}ssen. Daraus ergab sich die Notwendigkeit den Wasserverlust zu minimieren und dennoch ausreichend CO2 f{\"u}r die Photosynthese aufzunehmen (Raven, 2002). Im Laufe der Evolution der Pflanzen entstanden mehrere Anpassungen an diese neuen Gegebenheiten, die schließlich auch zur Entstehung von regulierbaren {\"O}ffnungen, den Stomata, in der Blattepidermis f{\"u}hrte. Zwei Schließzellen umschließen das Stoma und regulieren {\"u}ber die Aufnahme oder Abgabe von osmotisch-aktiven Teilchen ihren Turgordruck und damit die {\"O}ffnungsweite des Stomas. Das Kation Kalium und die Anionen Chlorid und Nitrat repr{\"a}sentieren die Hauptosmotika, die je nach Bedarf durch Transportproteine {\"u}ber die Plasmamembran der Schließzellen geschleust werden. In den Samenpflanzen wie zum Beispiel der Modellpflanze Arabidopsis thaliana, ist der Signalweg in Schließzellen, der bei Trockenheit zu einem schnellen Schluss des Stomas f{\"u}hrt bereits sehr gut untersucht. Bei Wassermangel synthetisiert die Pflanze das Trockenstresshormon ABA (Abscisins{\"a}ure). Das Hormon wird durch ABA-Rezeptoren erkannt und resultiert schließlich in der Aktivit{\"a}t der Proteinkinase OST1. Daraufhin reguliert diese Kinase zum einen die Transkription ABA-abh{\"a}ngiger Gene, die der Pflanze eine langfristige Adaptation an Trockenheit und Austrocknungstoleranz verleiht. Zum anderen, phosphoryliert OST1 den Anionenkanal SLAC1 und aktiviert ihn so. Die Aktivit{\"a}t des Kanals initiiert schließlich den Stomaschluss durch einen Ausstrom von Anionen aus den Schließzellen, der mit einer Depolarisation der Schließzellmembran einhergeht. Der ABA-Signalweg, der zur transkriptionellen Regulation von Genen und der damit verbunden Trockentoleranz f{\"u}hrt ist ein sehr stark konservierter und evolutiv sehr alter Signalweg, der in allen Geweben von Pflanzen bei Trockenheit beschritten wird. Der schnelle ABA-Signalweg, der die Aktivit{\"a}t der SLAC1 Anionenkan{\"a}le reguliert, ist auf Schließzellen begrenzt. Da sich Schließzellen aber erst sp{\"a}t in der Evolution von Landpflanzen etablierten, erhob sich die Frage, wann in der Evolution geriet SLAC1 unter die Kontrolle das ABA-Signalwegs? Geht diese Regulation von SLAC1 mit der Entstehung von Schließzellen einher oder bestand dieser Regulationsmechanismus bereits in Pflanzen, die keine Schließzellen besitzen. Zur Beantwortung dieser Frage untersuchte ich die einzelnen Komponenten des Signalwegs und ihre Beziehungen zu einander im heterologen Expressionssystem der Xenopus laevis Oozyten. Im Laufe dieser Arbeit wurden Schl{\"u}sselelemente des ABA-Signalwegs aus sechs verschiedenen Versuchspflanzen kloniert und in Oozyten charakterisiert. F{\"u}r die Untersuchung der Evolution des schnellen ABA-Signalwegs wurden die sechs Versuchspflanzen aus je einem rezenten Vertreter der Gr{\"u}nalgen (Klebsormidium nitens), der Lebermoose (Marchantia polymorpha), der Laubmoose (Physcomitrella patens), der Lycophyten (Selaginella moellendorffii) und der Farne (Ceratopteris richardii) ausgew{\"a}hlt und mit der Samenpflanze Arabidopsis thaliana verglichen. Die sechs Pflanzengruppen spalteten sich an unterschiedlichen Zeitpunkten im Laufe der pflanzlichen Evolution von der Entwicklung der restlichen Pflanzen ab und erlauben so einen bestm{\"o}glichen Einblick in den jeweiligen Entwicklungsstand der Landpflanzen w{\"a}hrend der Entstehung der einzelnen Pflanzenfamilien. Obwohl sich die ersten Stomata erst in den Laubmoosen entwickelten, besitzen schon die Gr{\"u}nalgen OST1-Kinasen und SLAC1-Kan{\"a}le. Interessanterweise konnte wir zeigen, dass schon die fr{\"u}hen OST1-Kinasen aus Algen und Moosen dazu in der Lage sind, in den h{\"o}her entwickelten Samenpflanzen die Rolle in der Regulation der ABA-abh{\"a}ngigen Expression von Genen zu {\"u}bernehmen. Außerdem zeigte sich im Laufe meiner biophysikalischen Untersuchungen, dass alle dreizehn getesteten OST1-Kinasen aus den sechs unterschiedlichen Versuchspflanzenarten in Lage sind, den Anionenkanal SLAC1 aus Arabidopsis in Xenopus Oozyten zu aktivieren. Diese Austauschbarkeit von den AtSLAC1-aktivierenden Kinasen deutet auf eine sehr starke Konservierung der Struktur und Funktion von OST1 hin. Anders verhielt es sich bei der funktionellen Analyse der Anionenkan{\"a}le aus den verschiedenen Versuchspflanzen: Hier bildete nur der evolution{\"a}r gesehen j{\"u}ngsten SLAC-Kanal AtSLAC1 aus Arabidopsis ein funktionelles P{\"a}rchen mit OST1. Die SLAC1 Kan{\"a}le aus der Gr{\"u}nalge, dem Lebermoos, den Lycophyten und dem Farn blieben ohne messbare Aktivit{\"a}t bei einer Co-expression mit den verschiedenen OST1 Kinasen. Nur beim Laubmoos (Physcomitrella patens) konnte noch ein funktionelles Kinase-Anionenkanal P{\"a}rchen gefunden werden. Struktur-Funktionsuntersuchungen erlaubten mir schließlich zu zeigen, dass bestimmte funktionelle Dom{\"a}nen sowohl im N-terminus als auch im C-terminus von SLAC1 erforderlich sind, um eine Aktivierung des Kanals durch OST1 Kinasen sicherzustellen.},
  subject      = {Evolution},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Imes2016,
  author    = {Imes, Dennis},
  title     = {Aufkl{\"a}rung der molekularen Struktur und Funktion des R-Typ Anionenkanals QUAC1 in Schließzellen},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-136860},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2016},
  abstract  = {Zum Gasaustausch mit Ihrer Umgebung besitzen h{\"o}here Pflanzen stomat{\"a}re Komplexe. Die Turgor-getrieben Atmungs{\"o}ffnungen in der Epidermis der Bl{\"a}tter werden von zwei Schließzellen ums{\"a}umt. Um bei Trockenheit einen exzessiven Verlust von Wasser zu verhindern, synthetisieren/importieren Schließzellen das Stresshormon ABA (Abszisins{\"a}ure), das {\"u}ber eine schnelle ABA-Signalkaskade plasmamembrangebundene Ionenkan{\"a}le steuert. Dabei wird der Stomaschluss durch die Aktivit{\"a}t von R-(rapid) und S-(slow)Typ Anionenkan{\"a}len initiiert. Obwohl die R- und S-Typ Anionenstr{\"o}me in Schließzellen seit Jahrzehnten bekannt waren, konnte erst k{\"u}rzlich das Gen identifiziert werden, das f{\"u}r den S-Typ Anionenkanal (SLAC1, Slow activating Anion Channel 1) kodiert. Daraufhin wurde schnell der Zusammenhang zwischen dem Stresshormon ABA, der ABA-Signalkette und der Aktivit{\"a}t des SLAC1 Anionenkanals im heterologen Expressionssystem der X. laevis Oozyten als auch in Schließzellprotoplasten aufgekl{\"a}rt. Es konnte gezeigt werden, dass ABA durch einen zytosolischen Rezeptor/Phosphatasekomplex (RCAR1/ABI1) erkannt wird und die Aktivit{\"a}t von kalziumabh{\"a}ngigen Kinasen (CPK-Familie) sowie kalziumunabh{\"a}ngigen Kinasen der SnRK2-Familie (OST1) steuert. In Anwesenheit von ABA phosphorylieren diese Kinasen SLAC1 und sorgen so f{\"u}r die Aktivierung von Anionenstr{\"o}men und damit f{\"u}r die Initiierung des Stomaschlusses. Die genetische Herkunft der ABA-induzierten R-Typ Str{\"o}me in Schließzellen war zu Beginn der vorliegenden Arbeit noch nicht bekannt. R-Typ Str{\"o}me zeichnen sich durch eine strikte Spannungsabh{\"a}ngigkeit und sehr schnellen Aktivierungs- sowie Deaktivierungskinetiken aus. Die Charakterisierung von Verlustmutanten des Schließzell-exprimierten Gens ALMT12 (Aluminium-aktivierter Malattransporter 12) konnte in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe Martinoia (Z{\"u}rich) erste Hinweise auf die Beteiligung dieses Gens an der Stomabewegung demonstrieren. Anschließende Patch-Clamp Untersuchungen an Schließzellprotoplasten aus Wildtyppflanzen und ALMT12-Verlustmutanten zeigten, dass ALMT12 f{\"u}r die Malat-aktivierte R-Typ Anionenstromkomponente verantwortlich ist. Deshalb wurde der Anionenkanal QUAC1 (Quickly activating Anion Channel 1) benannt - in Anlehnung an die Benennung des Anionenkanals SLAC1. Mit der Identifizierung von QUAC1 in planta war es nun meine Aufgabe, die elektrischen Eigenschaften von ALMT12/QUAC1 und dessen Aktivit{\"a}tskontrolle durch die ABA-Signalkaskade im heterologen Expressionssystem der Xenopus Oozyten zu untersuchen. Protein-Protein Interaktionsstudien mit der Hilfe der Bimolekularen Fluoreszenz-Technik, sowie die Beobachtung von markant erh{\"o}hten QUAC1 Anionenstr{\"o}men in Anwesenheit der SnRK2 Kinase OST1 und den Calcium-abh{\"a}ngigen Kinasen CPK2 und CPK20, ließen den Schluss zu, dass QUAC1, ebenso wie SLAC1, unter der Kontrolle des schnellen ABA-Signalwegs steht. Eine zus{\"a}tzliche Expression des negativen Regulators ABI1 unterdr{\"u}ckte die aktivierenden Eigenschaften der QUAC1-aktivierenden Kinasen, was die Hypothese der Koregulation von S- und R-Typ Anionenkan{\"a}len durch die gleiche ABA-Signalkaskade weiter unterst{\"u}tzt. Zur weiteren Aufkl{\"a}rung der elektrischen Eigenschaften von QUAC1 wurden tiefgreifende elektrophysiologische Untersuchungen mit der Zwei-Elektroden-Spannungsklemmen Technik durchgef{\"u}hrt. Durch die Wahl von geschickten Spannungsprotokollen konnte sowohl die schnelle Aktivierungskinetik als auch die schnelle Deaktivierungskinetik von QUAC1 bestimmt und quantifiziert werden. Diese Stromantworten waren sehr {\"a}hnlich zu den R-Typ Str{\"o}men, die man von Patch-Clamp Untersuchungen an Schließzellprotoplasten kannte, was ein weiteres Indiz daf{\"u}r war, dass es sich bei QUAC1 tats{\"a}chlich um eine Komponente des R-Typ Kanals aus Schließzellen handelt. Weiterf{\"u}hrende Untersuchungen bez{\"u}glich der Spannungsabh{\"a}ngigkeit und der Selektivit{\"a}t von QUAC1 charakterisierten das Protein als einen Depolarisations-aktivierten Anionenkanal mit einer starken Pr{\"a}ferenz f{\"u}r Dicarbons{\"a}uren wie Malat und Fumarat. Zudem konnte auch eine Leitf{\"a}higkeit f{\"u}r Sulfat und Chlorid nachgewiesen werden. Interessanterweise erwies sich Malat nicht nur als ein permeierendes Ion, sondern auch als ein regulierendes Ion, welches das spannungsabh{\"a}ngige Schalten von QUAC1 maßgeblich beeinflusst. Extrazellul{\"a}res Malat verschob die Offenwahrscheinlichkeit von QUAC1 sehr stark zu negativeren Membranspannungen, so dass der Anionenkanal bereits bei typischen Ruhespannungen von Schließzellen (ca. -150 mV) aktiviert werden konnte. Eine Beladung von QUAC1-exprimierender Oozyten mit Malat bewirkte zum einen h{\"o}here Anioneneffluxstr{\"o}me, aber auch eine Verschiebung der spannungsabh{\"a}ngigen Offenwahrscheinlichkeit zu negativeren Membranpotentialen. Struktur-Funktionsanalysen sollten die umstrittene Topologie von ALMT-{\"a}hnlichen Proteinen beleuchten und die molekulare Herkunft der Phosphorylierungsaktivierung aufzeigen, sowie die Malatabh{\"a}ngigkeit und die starke Spannungsabh{\"a}ngigkeit von QUAC1 aufkl{\"a}ren. Es zeigte sich jedoch schnell, dass Punktmutationen und Deletionen im C-Terminus von QUAC1 sehr h{\"a}ufig zu nicht-funktionellen Mutanten f{\"u}hrten. Diese Tatsache weist darauf hin, dass es sich um einen hoch-strukturierten und funktionell sehr wichtigen Bereich des Anionenkanals handelt. Auch die Topologie des Anionenkanalproteins wird in der Literatur kontrovers diskutiert. Sowohl die Lage des N- und C-Terminus (extrazellul{\"a}r oder intrazellul{\"a}r), als auch die Anzahl der membrandurchspannenden Dom{\"a}nen war nicht abschließend gekl{\"a}rt. Deshalb wurde in einem Fluoreszenz-basiertem Ansatz die Lage der Termini bestimmt. Im Rahmen meiner Arbeit konnte somit eindeutig gezeigt werden, dass sich beide Termini im Zytosol der Zelle befinden. Auf Grundlage von Modellen aus der Literatur und meiner Topologiebestimmungen konnte schließlich ein erweitertes Modell zur Struktur von QUAC1 entwickelt werden. Dieses Modell kann in Zukunft als Ausgangspunkt f{\"u}r weiterf{\"u}hrende Struktur-Funktionsanalysen dienen. Diese Arbeit hat somit gezeigt, dass das Gen QUAC1 tats{\"a}chlich eine Komponente der R-Typ Str{\"o}me in Schließzellen kodiert. Ebenso wie SLAC1 steht der Malat-induzierte Anionenkanal QUAC1 unter der Kontrolle der schnellen ABA-Signalkaskade. In Zukunft bleibt zu kl{\"a}ren, welche weiteren Gene f{\"u}r die R-Typ Kanalproteine in Schließzellen kodieren und welche strukturelle Grundlage f{\"u}r die besonderen Eigenschaften von QUAC1 hinsichtlich seiner schnellen Kinetiken, seiner Selektivit{\"a}t und Aktivierbarkeit durch Malat.},
  subject      = {Ackerschmalwand},
  language  = {de}
}