Stefan Müller

• Die endogen in Pflanzen radikalisch gebildeten Phytoprostane regulieren in Arabidopsis thaliana eine Reihe von Genen, die an den Prozessen der Detoxifizierung und Zellproliferation beteiligt sind, während die externe Applikation dieser Oxylipine in vitro eine Akkumulation von sekundären Metaboliten, sogenannten Phytoalexinen, nach sich zieht. Ferner war aus vorherigen Arbeiten des Lehrstuhls für Pharmazeutische Biologie bekannt, dass die Vorbehandlung mit Phytoprostanen in Arabidopsis thaliana eine Schutzwirkung gegen nachfolgenden oxidativenDie endogen in Pflanzen radikalisch gebildeten Phytoprostane regulieren in Arabidopsis thaliana eine Reihe von Genen, die an den Prozessen der Detoxifizierung und Zellproliferation beteiligt sind, während die externe Applikation dieser Oxylipine in vitro eine Akkumulation von sekundären Metaboliten, sogenannten Phytoalexinen, nach sich zieht. Ferner war aus vorherigen Arbeiten des Lehrstuhls für Pharmazeutische Biologie bekannt, dass die Vorbehandlung mit Phytoprostanen in Arabidopsis thaliana eine Schutzwirkung gegen nachfolgenden oxidativen Stress vermittelt. Neben nicht-enzymatisch gebildeten Oxylipinen akkumulieren in höheren Pflanzen als Antwort auf einen oxidativen Stress auch enzymatisch gebildete Oxylipine wie 12-Oxophytodiensäure (OPDA) und Jasmonsäure (JA). Als Ausgangspunkt zur systematischen Analyse der von einzelnen Phytoprostanen vermittelten Wirkspektren diente in der vorliegenden Arbeit eine Transkriptionsanalyse unter Verwendung einer mixotrophen Arabidopsis thaliana Zellkultur nach Phytoprostan-A1 (PPA1)-Behandlung. In weiterführenden Experimenten wurde das durch PPA1-vermittelte Genexpressionsprofil mit dem Profil von weiteren, nicht-enzymatischen sowie dem durch die enzymatisch gebildeten Oxylipine OPDA bzw. JA hervorgerufenen Genexpressionsprofil verglichen. Die Vergleiche zeigten signifikante Übereinstimmungen, aber auch deutliche Unterschiede im Wirkprofil einzelner enzymatischer bzw. nicht-enzymatischer Oxylipine. Das Wirkungsspektrum der radikalisch gebildeten PPA1 überschneidet sich zu 40 Prozent mit dem der enzymatisch gebildeten OPDA, jedoch nur zu sieben Prozent mit dem Wirkspektrum der ebenfalls enzymatisch gebildeten JA. Diese Beobachtung ließ einen über strukturelle Merkmale vermittelten Signalmechanismus vermuten, da die chemischen Strukturen von PPA1 und OPDA, nicht jedoch PPA1 und JA, verwandt sind. Zur Überprüfung der vorstehenden Hypothese wurden die Promotorbereiche der durch PPA1 mehr als dreifach induzierten Gene bioinformatisch auf häufig vorhandene Sequenzmotive untersucht. Es zeigte sich, dass etwa die Hälfte der Promotorbereiche der durch PPA1 induzierten Gene ein Bindungsmotiv für TGA-Transkriptionsfaktoren enthält. Nachfolgende Transkriptomanalysen in der TGA-Dreifach knockout Arabidopsis thaliana Mutante tga2tga5tga6 zeigten, dass 60 Prozent der PPA1- bzw. 30 Prozent der ODPA-vermittelten Genexpression durch die TGA-Transkriptionsfaktoren TGA2, TGA5 und TGA6 vermittelt werden. Neben übereinstimmenden Wirkungen von PPA1 und OPDA in der Genexpression sind in der Literatur überschneidende Wirkungen von OPDA und JA bezüglich einer Wurzelwachstumshemmung in Arabidopsis thaliana beschrieben. In Experimenten zur Untersuchung des Wurzelwachstums resultierte die exogene Applikation von JA bzw. OPDA auf Arabidopsis thaliana Samen in einer Hemmung des Wurzelwachstums um 63 bzw. 72 Prozent. Dagegen vermittelte PPA1 nur eine Hemmung um 50 Prozent. Die vorstehend beschriebenen Wirkungen verschiedener Phytoprostane belegen ein umfassendes Wirkspektrum dieser heterogenen Substanzklasse. Neben den in vorliegender Arbeit im Vordergrund stehenden Phytoprostan-vermittelten Stressreaktionen sind eine Reihe physiologischer Prozesse, darunter das Wurzelwachstum, zumindest teilweise durch Phytoprostane reguliert. Ferner konnte in der der vorliegenden Arbeit erstmalig gezeigt werden, dass mindestens zwei der durch Phytoprostane induzierten Gene Proteine kodieren, die effizient die Metabolisierung von Phytoprostanen fordern, um oxidativen Schäden vorzubeugen. Vermittelt werden die Phytoprostan- Wirkungen unter anderem durch die TGA-Transkriptionsfaktoren TGA2, TGA5 und TGA6, welche zur Expression von Detoxifizierungs- und Stressgenen führen.…
• Phytoprostanes that are endogenously and radically formed in higher plants regulate in Arabidopsis thaliana a number of genes that are involved in the processes of detoxification and cell proliferation. In contrast, the external application of these oxylipins results in vitro in the accumulation of secondary metabolites, so-called phytoalexines. Moreover, it was known from previous studies performed by the Chair for Pharmaceutical Biology that the pre-treatment with phytoprostanes in Arabidopsis thaliana leads to the protection againstPhytoprostanes that are endogenously and radically formed in higher plants regulate in Arabidopsis thaliana a number of genes that are involved in the processes of detoxification and cell proliferation. In contrast, the external application of these oxylipins results in vitro in the accumulation of secondary metabolites, so-called phytoalexines. Moreover, it was known from previous studies performed by the Chair for Pharmaceutical Biology that the pre-treatment with phytoprostanes in Arabidopsis thaliana leads to the protection against subsequent oxidative stress. In addition to nonenzymatically formed oxylipines, enzymatically formed oxylipines, such as 12-oxo-phytodienoic acid (OPDA) and jasmonic acid (JA) accumulate in higher plants as a consequence of oxidative stress. The present dissertation uses a transcription analysis of an Arabidopsis thaliana mixotroph cell culture after treatment with phytoprostane A1 (PPA1) as basis for the systematic analysis of the gene expression profile mediated by enzymatically and non-enzymatically formed oxylipines. Thus, in further experiments, the gene expression profile resulting from PPA1 was compared with the gene expression profile of other non-enzymatically, i.e., PPB1 and dPPJ1 as well as the one of the enzymatically formed oxylipins, i.e., OPDA and JA, respectively. These comparisons showed significant consistencies but also considerable differences in the gene expression profile of certain enzymatic and non-enzymatic oxylipines. In 40 percent of all cases, the gene expression profile of radically catalyzed PPA1 equals the one of enzymatically formed OPDA, but only in 7 percent of all cases, this gene expression profile is identical to the enzymatically catalyzed JA. This observation leads to the assumption of a signal mechanism resulting from structural characteristics, since the chemical structures of PPA1 and OPDA are related to each other while PPA1 and JA are not. In order to verify the above-mentioned hypothesis, the promoter regions of those genes which were more than three times induced were bioinformatically analysed for an abundance of specific binding sites. As a result, it turned out that approximately half of the promoter regions of the PPA1-induced genes contained a binding site for TGA transcription factors. Subsequent transcription analyses in the TGA-triple knockout Arabidopsis thaliana mutant tga2tga5tga6 showed that 60 percent of the PPA1- induced and 30 percent of the ODPA-induced gene expression was mediated by the TGA-transcription factors TGA2, TGA5 and TGA6. In addition to the overlapping effect on gene expression described above, the literature describes an equal effect of OPDA and JA concerning the root growth inhibition in Arabidopsis thaliana. In experiments performed to evaluate the overall growth of the seedlings by JA or OPDA resulted in a 63 or 72 percent reduction of the root length in comparison to control plants. Rather to the contrary the use of PPA1 only resulted in a 50 percent reduction in comparison to Arabidopsis thaliana control plants. Thus, the above mentioned effects of phytoprostanes demonstrate an extensive biological spectrum of these heterogenous types of substances. Apart from the phytoprostane-induced analysis of gene ecpression which is the crucial topic of this dissertation, a number of physiological processes, such as the root growth inhibition are at least in parts regulated by phytoprostanes. Furthermore, the present dissertation shows for the first time that at least two of the phytoprostane-induced genes encode a protein that efficiently enhance the metabolisation of phytoprostanes in order to prevent oxidative damages. The effects of phytoprostanes are inter alia mediated by the TGA transcription factors TGA2, TGA5 and TGA6 which result in the expression of detoxification and stress genes.…