Pflanzen-Immunbiologie / Forschung
Zielsetzung
In der Abteilung für Pflanzen-Immunbiologie verfolgen wir einen multidisziplinären Ansatz, um zu verstehen, wie Pflanzen Stress infolge von Infektionen ertragen und überwinden. Unser Ziel ist es, zur Entwicklung nachhaltiger landwirtschaftlicher Praktiken beizutragen, indem wir zelluläre Prozesse auf molekularer Ebene verstehen und darauf aufbauend Strategien zur Verbesserung der Kulturpflanzenresistenz entwickeln. Damit leisten wir einen Beitrag zur Bewältigung globaler Herausforderungen („Meeting global challenges“).
Unsere Mission umfasst zudem die Förderung von Studierenden und Nachwuchswissenschaftler*innen durch neugier- und forschungsbasiertes Lernen in der Pflanzenbiologie. Wir möchten ihre Expertise in molekularer Pflanzenbiologie, Biochemie und Genetik ausbauen und sie befähigen, die komplexen Funktionsweisen von Pflanzen zu erforschen.
Forschungsüberblick
Am Department für Pflanzen-Immunbiologie untersuchen wir, wie Pflanzen mit biotischem Stress umgehen können. Pflanzen sind in der Lage, Infektionen wahrzunehmen und rasch darauf zu reagieren, um sich effizient zu verteidigen. Reaktionen auf solche Herausforderungen finden auf mehreren Ebenen statt, wobei eine koordinierte Proteolyse von zentraler Bedeutung ist, um das Proteom neu zu gestalten und während einer Infektion die Proteinhomöostase (Proteostase) aufrechtzuerhalten. Wir verfolgen einen multidisziplinären Ansatz, um zu verstehen, wie das Signalmolekül Ubiquitin zelluläre Stressantworten formt.
Wir sind überzeugt, dass das Verständnis der grundlegenden Mechanismen, die es Pflanzen ermöglichen, in einer herausfordernden Umgebung zu überleben, die Basis für die Entwicklung von Lösungen für eine nachhaltige Landwirtschaft im Angesicht des Klimawandels liefert.
Unsere Forschungsbereiche
Mechanismen der Ubiquitinierung
Obwohl die Ubiquitinierung ein universeller Prozess ist, bleibt weitgehend ungeklärt, wie E3-Ligasen sich mit verschiedenen Kinasen assoziieren, um zelluläre Antworten zu regulieren, und welche spezifischen E2-Enzyme den „Ubiquitin-Code“ bestimmen, der das Schicksal von Proteinen festlegt; eine Wissenslücke, die wir mithilfe neu entwickelter Werkzeuge zur Analyse biochemischer E2-E3-Aktivitäten adressieren.
Viele Fragen in diesem Forschungsfeld bleiben unbeantwortet, dazu zählen grundlegende Fragen zum Ablauf des Ubiquitinierungsprozesses. Der letzte Schritt wird durch die E3-Ubiquitin-Ligase vermittelt, die die Modifikation eines Substrats steuert, indem sie das E2-Ubiquitin-Konjugat und das Substrat zusammenbringt. Eine der offenen Fragen betrifft die Regulation der Aktivität von E3- und E2-Enzymen. Viele U-Box-Typ-E3-Ligasen, wie PUB22 (Trenner et al. 2022), bilden Signalgebungsmodule mit unterschiedlichen Kinase-Typen, darunter Rezeptor- und Mitogen-aktivierte Proteinkinasen (MAP-Kinasen), um eine Vielzahl zellulärer Antworten von Immunität bis Entwicklung zu regulieren (Trujillo 2021).
UHH/Trujillo
Weitgehend unbekannt ist zudem, welche Arten von Ubiquitinketten durch spezifische E2-konjugierende Enzyme gebildet werden, die maßgeblich die Kettenverknüpfung (z.B. Lys63- oder Lys48-verknüpfte Ketten) bestimmen. Die unterschiedlichen Ubiquitinpolymere bilden den sogenannten Ubiquitin-Code und legen das Schicksal des modifizierten Proteins fest, etwa den Abbau (Lys48) oder Veränderungen der subzellulären Lokalisation (Lys63). Um die biochemischen Aktivitäten von E2-E3-Paaren aufzuklären, haben wir eine Reihe von Werkzeugen entwickelt, die es ermöglichen, diese Aktivitäten zu analysieren (Turek et al. 2018; Kowarschik 2018; Saeed et al. 2023).
Regulatorische Funktionen von Ubiquitin
Mit Fokus auf die Immunantwort zielt unsere Forschung darauf ab, zu entschlüsseln, wie die Ubiquitin-Signalgebung die zelluläre Homöostase aufrechterhält, indem sie den Vesikeltransport umleitet, um die Immun-Signalwege zu regulieren.
Die Ubiquitin-Signalgebung spielt eine Schlüsselrolle bei der Regulation zellulärer Antworten. Unser Ziel ist es, zelluläre Prozesse und Komponenten zu identifizieren, die durch Ubiquitinierung reguliert werden, mit einem besonderen Fokus auf die Immunantwort (Trujillo 2021). Ubiquitin und ubiquitinähnliche Proteinmodifikatoren sind entscheidend für die Kontrolle von Signalintensität und Dauer, sowie auch für die Abpufferung von Proteom-Ungleichgewichten, die durch Pathogenangriffe verursacht werden. Ein eng verflochtenes und komplexes Signalnetzwerk reguliert die zelluläre Dynamik und den Proteinabbau, um die Homöostase aufrechtzuerhalten.
UHH/Trujillo
Unsere Studien haben gezeigt, dass PUB-Ligasen mit Komponenten des Vesikeltransports interagieren. Dazu gehören Untereinheiten des Exocyst-Komplexes, eines essenziellen Komplexes, der die Anheftung post-Golgi-Vesikel an die Plasmamembran vermittelt und für die Sekretion von Immunrezeptoren erforderlich ist (Brillada et al. 2021; Stegmann et al. 2012; Stegmann et al. 2013). Während der Immunantwort werden Untereinheiten des Exocysten phosphoryliert und ubiquitiniert, was die Interaktion mit der Plasmamembran hemmt und gleichzeitig die Interaktion mit der Autophagie-Maschinerie induziert. Dadurch wird der Exocyst zur Vakuole umgeleitet und dort abgebaut. Diese Mechanismen kontrollieren die Rezeptorbereitstellung und wirken als molekulare Bremsen, um zelluläre Antworten abzuschwächen und die Homöostase zu erhalten (Trujillo et al. 2008).
Ubiquitin-SynBio
Eines unserer übergeordneten Ziele ist die Entwicklung von Systemen und neuen niedermolekularen Verbindungen (Small Molecules), die einen gezielten Proteinabbau (Targeted Protein Degradation, TPD) vermitteln; hierfür entwickeln wir kosteneffiziente und skalierbare Plattformen zur Analyse von Abbauprozessen.
Die Untersuchung ubiquitinierter Proteine ist jedoch mit zahlreichen Herausforderungen verbunden, darunter die geringe Stöchiometrie von Ubiquitin, die schnelle Abspaltung von Ubiquitin-Modifikationen sowie der Abbau der modifizierten Proteine selbst. Durch die Rekonstitution der Ubiquitinierungskaskade in einem orthogonalen System wie E. coli können wir einige dieser Einschränkungen umgehen. Zu diesem Zweck haben wir eine auf Golden-Gate-Cloning basierende Synthetic-Biology-Werkzeugkiste entwickelt (Kowarschik et al. 2018).
UHH/Trujillo
Expressionsoperons, die alle Komponenten der Ubiquitinierungskaskade enthalten, ermöglichen eine einfache Analyse der E3-Aktivität oder der Substrat-Ubiquitinierung, Verfahren, die ansonsten kostspielig und zeitaufwendig sein können (Winkler et al. 2017; Turek et al. 2018; Kowarschik et al. 2018; Yu et al. 2023). Darüber hinaus ist UbiGate auch für eine einfache Hochskalierung geeignet, wodurch ubiquitinierte Produkte für weiterführende Analysen wie Massenspektrometrie oder NMR zugänglich werden.