Neue Erkenntnisse zur Regulation der Phosphat-Homöostase.
Im Rahmen ihrer Forschungsarbeiten an der Universität Genf hat IPB-Nachwuchswissenschaftlerin Martina Ried gemeinsam mit Partnern aus Deutschland, Frankreich und der Schweiz neue Erkenntnisse zur Regulation der pflanzlichen Phosphat-Homöostase gewonnen. Phosphor wird als essentieller Nährstoff von allen Organismen in Form von anorganischem Phosphat (Pi) aufgenommen und mit Hilfe von fein austarierten Pi-Sensor- und Signalkaskaden im Gleichgewicht gehalten. Hauptakteure der Pi-Homöostase sind die verschiedenen Varianten des Signalmoleküls Inositol-Pyrophosphat (PP-InsP). In Pflanzen erfolgt die Regulation der intrazellulären Phosphatkonzentration über Pi-Starvation-Response-Transkriptionsfaktoren (PHRs), die bei ausreichend hohen Pi-Konzentrationen an einen Repressor (SPX) gebunden und folglich nicht aktiv sind. Dabei wird die Bindung zwischen PHR und seinem SPX-Repressor durch Inositol-Pyrophosphat ermöglicht, das unter suffizienten Phosphatbedingungen in größeren Mengen in der Zelle vorhanden ist als unter Phosphatmangelbedingungen. Der genaue Mechanismus dieser PP-InsP-vermittelten Kopplung war jedoch bisher nicht bekannt.
Ried et al. haben nun herausgefunden, dass ein PP-InsP-SPX-Komplex die nur in Pflanzen vorkommende Coiled-coil (CC)-Domäne von PHRs erkennt. Kristallstrukturen dieser CC-Domäne zeigten eine ungewöhnliche viersträngige antiparallele Anordnung der einzelnen Helices. Interaktionsflächenmutationen in der CC-Domäne führen zu monomerem PHR, das nicht mehr in der Lage ist, DNA mit hoher Affinität zu binden. Unter Phosphatmangel sinkt die intrazelluläre PP-InsP-Konzentration, sodass die beiden Bindungspartner des SPX-PHR-Komplexes dissoziieren und den PHR-Transkriptionsfaktor freigeben. Dieser kann nun die entsprechenden Pi-Starvation-Response-Gene aktivieren. Die hochaffine Bindung von PHR an seine Promotoren ist dabei nur im oligomeren Zustand des Transkriptionsfaktors möglich. Ein besseres Verständnis dieser zentralen Mechanismen der Pi-Homöostase könnte langfristig zur Entwicklung von phosphatmangelresistenten Nutzpflanzen beitragen. Das gehört angesichts der alarmierenden Knappheit von mineralischem Phosphor zu den großen aktuellen Herausforderungen der Zivilisation.