Uta Anschütz

• In vorausgegangenen Experimenten unseres Labors war bereits gezeigt worden, dass die Applikation von Glutamat zur transienten Erhöhung der cytosolischen Calciumkonzentration sowie zu einer Depolarisation der Plasmamembran von Mesophyllzellen führt. Pharmakologische Studien weisen auf mögliche Orthologe tierischer ionotroper Glutamatrezeptoren (iGLuRs) hin. Ziel dieser Arbeit war eine vertiefte molekulare und funktionelle Analyse der Glutamatrezeptoren (GLRs) aus Arabidopsis thaliana. Dabei konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden: i.In vorausgegangenen Experimenten unseres Labors war bereits gezeigt worden, dass die Applikation von Glutamat zur transienten Erhöhung der cytosolischen Calciumkonzentration sowie zu einer Depolarisation der Plasmamembran von Mesophyllzellen führt. Pharmakologische Studien weisen auf mögliche Orthologe tierischer ionotroper Glutamatrezeptoren (iGLuRs) hin. Ziel dieser Arbeit war eine vertiefte molekulare und funktionelle Analyse der Glutamatrezeptoren (GLRs) aus Arabidopsis thaliana. Dabei konnten folgende Erkenntnisse gewonnen werden: i. Zugabe von extrazellulärem Glutamat in Kombination mit Glycin führt in Abhängigkeit der extrazellulären ATP-Konzentration (eATP) zu einer transienten Erhöhung der Calciumkonzentration in Mesophyllzellen. ii. Die Reaktion von Mesophyllprotoplasten auf die Applikation von Glutamat und Glycin ist im Vergleich zum intakten Blatt stark reduziert, kann jedoch in Gegenwart von eATP oder Glucose signifikant gesteigert werden. iii. Diese Responsibilität von Mesophyllprotoplasten ist zum Zeitpunkt des Einsetzens der Zellwandsynthese (48h) am höchsten. iv. In Patch-Clamp Experimenten führt die photolytische Freisetzung von extrazellulärem caged-Glutamat bei 34 % der gemessenen A. thaliana Mesophyllprotoplasten zu einem verstärkten Kationentransport über die Plasmamembran. Dieser Kationenstrom kann durch gleichzeitige Anwesenheit von extrazellulärem ATP noch verstärkt werden und ist durch einen Desensitivierungsprozess gekennzeichnet. Die Empfindlichkeit dieser Ströme gegenüber Antagonisten tierischer iGluRs stellt eine Verbindung zu der Genfamilie der AtGLRs dar. v. Coexpressionexperimente ausgewählter AtGLRs geben erste Hinweise auf eine Homo- bzw. eine Heteromerbildung von AtGLR1.1 und AtGLR1.4. Aufgrund fehlender Kanalaktivität konnten einzelne, in Oozyten exprimierte AtGLRs bislang nicht funktionell charakterisiert werden. vi. Studien zur transienten und stabilen Überexpression im homologen Expressionssystem zeigen einen cytotoxischen Effekt bei funktioneller Überexpression ausgewählter AtGLRs. vii. Die Analyse der Stellung des Glutamatrezeptors 3.4 in kälteregulierten Signalnetzwerken via Microarrays weist auf ein überlappendes Aufgabenspektrum der Familie der AtGLRs hin. viii. Im Rahmen von Microarray Transkriptionsanalysen an der glr3.4-1 Mutante konnte ein bisher nicht charakterisiertes, co-reguliertes Protein identifiziert werden. Dieses Protein ist durch den Besitz einer transmembranen Region sowie einer ATP-Bindedomäne charakterisiert und könnte einen möglichen Regulator des AtGLR3.4-Kanals darstellen. ix. Die Überprüfung einer möglichen Beteiligung der pflanzlichen Glutamatrezeptoren an der Generierung der glutamatabhängigen Ca2+-Signale sowie die Suche nach Regulatoren bzw. fehlenden Untereinheiten erfolgte mithilfe Mutanten-„Sreenings“. Die Analyse der bis dato identifizierten, Glutamat-insensitiven Mutanten konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht abgeschlossen werden.…
• Preliminary work has shown that glutamate application results in a transient increase of cytosolic calcium and leads to a depolarisation of the plasma membrane potential in Arabidopsis mesophyll cells. Pharmacological studies indicate that orthologs of mammalian ionotropic glutamate receptors (iGLuRs), members of the AtGLR family, participate in this process. Aim of this work was to analyse the molecular and functional properties of Arabidopsis thaliana glutamate receptors (GLRs). During the course of this work the following results werePreliminary work has shown that glutamate application results in a transient increase of cytosolic calcium and leads to a depolarisation of the plasma membrane potential in Arabidopsis mesophyll cells. Pharmacological studies indicate that orthologs of mammalian ionotropic glutamate receptors (iGLuRs), members of the AtGLR family, participate in this process. Aim of this work was to analyse the molecular and functional properties of Arabidopsis thaliana glutamate receptors (GLRs). During the course of this work the following results were obtained: i. The extracellular application of glutamate in combination with glycine leads to a transient rise in cytosolic calcium concentration in Arabidopsis mesophyll cells which was strongly enhanced in the presence of extracellular ATP (eATP). ii. The response of mesophyll protoplasts upon an application of glutamate and glycine was strongly reduced in comparison to intact leaves, but was increased significantly in the presence of eATP or glucose. iii. This response peaked out at the inset of cell wall synthesis i.e. after 48 hours. iv. After a photolytic release of caged-glutamate the probability of observing glutamate-activated cation currents across the plasmamembrane was about 34 % of all measured A. thaliana. mesophyll protoplasts. The observed cationic currents could be further stimulated in the presence of eATP and were characterized by desensitization. The responsiveness of these currents to antagonists of mammalian iGluRs constitutes a connection to the gene family of the AtGLRs. v. Coexpression-experiments of selected AtGLRs provide a first indication to a homo- and heteromerization of AtGLR1.1 and AtGLR1.4. Due to channel inactivity of individual AtGLRs expressed in oocytes, a functional characterization, however, was not possible so far. vi. Transient and stable overexpression in homologous expression systems indicated a cytotoxic effect, when individual AtGLR were functionally overexpressed. vii. Analysis of AtGLR3.4 function in cold-induced signal transduction networks via microarrays point to overlapping tasks among members of the glutamate-receptor-family. viii. The microarray-transcript-analysis of the glr3.4-1 mutant resulted in the identification of a not yet characterized, co-regulated gene. The deduced protein contains a putative signal peptide, a single transmembrane region, as well as an ATP-binding domain and could represent a putative regulator of the AtGLR3.4-channel. ix. Participation of plant glutamate receptors in generating glutamate-dependent calcium signals as well as the search for novel regulators was carried out by using an EMS-based mutant-screening procedure. The analysis of the so far identified, glutamate-insensitive mutants could not be completed within this thesis.…