Lokalisierung der Arabidopsis-Oleoyl-Δ12-Desaturase FAD2.
Der Anteil an ungesättigten Phospholipiden in pflanzlichen Zellmembranen spielt eine wichtige Rolle für die optimale Funktion der Membranen, vor allem in Prozessen von Sekretion und Endozytose sowie dem Gleichgewicht integraler Membranproteine. In Arabidopsis sorgt die Oleoyl-Δ12-Desaturase FAD2 für die Umwandlung von Ölsäure (18:1Δ9) in Linolsäure (18:2Δ9,12) und damit für die weitere Entsättigung der Fettsäure. Trotz ihrer grundlegenden Bedeutung für die Pflanzenphysiologie gab es bisher keine hinreichenden Informationen über die Verteilung des Enzyms in der Zelle. MLU-Wissenschaftler haben nun in Zusammenarbeit mit dem IPB die subzelluläre Lokalisation von fluoreszierenden FAD2-Fusionen in Blättern und Wurzeln von Arabidopsis-Pflanzen und in Protoplasten bestimmt.
Basierend auf der Hypothese, dass FAD2 die Phospholipid-assoziierten Fettsäuren in der Nähe des endoplasmatischen Retikulums (ER) modifiziert, ermittelten die Wissenschaftler die Verteilungsmuster der funktionellen FAD2-Fusionen mittels konfokaler in vivo-Bildgebung, quantitativer Bildanalyse und einer Reihe von co-exprimierten organellenspezifischen Fluoreszenzmarkern. Die hochauflösende Fluoreszenzmikroskopie zeigte, dass die FAD2-Fusionen nicht direkt im ER lokalisiert sind, sondern ein ringförmiges Muster um die angrenzenden prä-cis-Golgi-Apparate bilden. Diese konzentrierte Lokalisierung der Desaturase fußt auf dem Vorhandensein eines ungewöhnlichen Retentionssignals am C-Terminus, wie die Hallenser Wissenschaftler herausfanden. Deletionen oder Substitutionen in dieser Proteinregion führten demnach zu einer lockeren Verteilung von FAD2-Fusionen im ER-assozierten Bereich. Die Entsättigung der Ölsäure findet also offenbar in den prä-cis-Golgi-Stapeln am Ausgang des ERs statt, von wo aus das Produkt, die Linolsäure, auf sekretorischem Wege in die umliegenden (Plasma-)Membranen verteilt wird.
Die Lokalisierung von FADs ist technisch nicht trivial, da die Topologie dieser membranintegralen Enzyme berücksichtigt werden muss. Die Fluoreszenz-Tags dürfen weder das katalytische Zentrum des Enzyms, noch sein N-terminales Signalpeptid oder die C-terminale Retentionssequenz beeinträchtigen. Die physiologische Funktionalität der FAD2-Fusionskonstrukte wurde deshalb vor Beginn der bildgebenden Analysen sowohl in Hefe als auch durch Komplementierung von Arabidopsis-Mutanten überprüft.
Die Stoffwechselwege der pflanzlichen Fettsäure-Entsättigung sind für die industrielle Erzeugung von Samenöl von großem Interesse. Laut früheren Forschungsergebnissen spielen räumliche Verteilung und molekulare Interaktion der beteiligten Enzyme eine wichtige Rolle bei der Bildung modifizierter Fettsäuren in diesen Ölen. Im vegetativen Teil der Pflanze trägt FAD2 als wichtiger Regulator der Membranlipid-Homöostase offenbar auch zur Stresstoleranz bei, beispielsweise gegenüber hohen Salzkonzentrationen.
