Die Bedeutung von Aquaporin interagierenden Proteinen für die Zelltodregulation bei Pflanzen und Tieren

Abstract

Hydrogen peroxide plays a crucial role as a signalling molecule in the induction of cell death in plants and animals. To mediate signalling and induce apoptosis in a cell, hydrogen peroxide molecules need to be transported across different membranes to their target site. In plants and animals, integral membrane proteins called aquaporins, facilitate the transport of hydrogen peroxide between cell compartments by channelling the signalling molecule across membranes. Plant aquaporins are regulated by proteins called Aquaporin Interactor 1 and 2 (AQI1 and AQI2). AQI2 is a plant homolog of AQI1. Both proteins function as inhibitors of aquaporins by binding to the channels resulting in prevention of water and hydrogen peroxide influx. Aquaporin Interactor 1 binds preferentially to the aquaporin tonoplast intrinsic protein TIP1.1, while Aquaporin Interactor 2 exhibits a binding preference to the aquaporin plasma membrane intrinsic protein PIP2.2. Aquaporin Interactor 1 is located in the vacuole or associated to the tonoplast membrane. In contrast, results obtained for Aquaporin Interactor 2 suggest that it is located in the apoplast. This is compatible with the hypothesis that tonoplast aquaporins can be regulated by AQI1, whereas plasma membrane aquaporins on the other hand are regulated by AQI2. The enzyme Aminoacylase 1 is known to hydrolyse N-acetylated amino acids. It is a zinc-binding metalloenzyme with a wide range of substrates. However, its preferred substrate is N-acetyl-Methionine. N-acetyl-Methionine can also be hydrolysed by the plant homolog AQI1. The plant enzyme also needs metal ions as co-factors. Of note, no aminoacylase activity was found for AQI2. Experiments using aqi1 knock-out mutants of Arabidopsis thaliana and Nicotiana tabacum clearly show, that hydrolysis of N-acetyl-Methionine can only be accomplished by AQI1. However, the aminoacylase activity of AQI1 is not needed for the ability to bind to aquaporins. The data show that the aminoacylase activity and the ability to bind aquaporins are two separate functions of the protein Aquaporin Interactor 1. Based on current knowledge, it must be assumed, that AQI2 acts only as an aquaporin-regulating protein. After pathogen attack an increased aminoacylase activity could be detected in the affected plant tissue. This AQI1 induction can be observed both after agrobacteria infiltration and after infection with the tobacco mosaic virus. This suggests a role for AQI1 in pathogen defence. Another aquaporin interacting protein is BHRF1, an anti-apoptotic protein originating from the Epstein-Barr virus. To date, an interaction between BHRF1 and aquaporins could only be detected with plant aquaporins. Transgenic BHRF1 N. tabacum plants show spontaneously occurring cell death events apparent by necrotic plant tissue. These necrotic areas are caused by BHRF1 interacting with plant aquaporins and several proteins of the G-protein signalling pathway inducing cell death. By binding to the aquaporins, BHRF1 is able to replace the endogenous aquaporin interaction partners AQI1 and AQI2. Thus, a precise aquaporin regulation by endogenous AQI1 and AQI2 is no longer guaranteed. Moreover, results show that BHRF1 can bind the Arabidopsis glucose sensor AtRGS1 (regulator of G-protein signalling). AtRGS1 is a combination of a G-protein coupled receptor and a RGS protein. The RGS domain causes the hydrolysis of GTP bound to the Gα subunit. Further experiments showed, an interaction of BHRF1 with human RGS proteins. Therefore, BHRF1 could also have a possible effect on G-protein signalling in humans. The results of this study demonstrate the importance of a precise regulation of aquaporins in cell death regulation. Deregulation caused by viral BHRF1, leads to cell death events. BHRF1 presumably competes with the endogenous interaction partners of aquaporins and of the G-protein-signalling pathway, ultimately resulting in the deregulation of various signalling pathways.

Bei der Zelltodinduktion spielt Wasserstoffperoxid sowohl in Pflanzen, als auch in Tieren eine wichtige Rolle. Das Signalmolekül Wasserstoffperoxid muss dabei über verschiedene Membranen an seinen Zielort transportiert werden. Dieser Transport geschieht in Pflanzen und Tieren durch Aquaporine. Diese integralen Membranproteine ermöglichen den Transport von Wasserstoffperoxid über die Membranen zwischen Zellkompartimenten. Die pflanzlichen Aquaporine werden durch die Proteine Aquaporin Interactor 1 und 2 (AQI1 und AQI2) reguliert. AQI2 ist dabei ein pflanzliches Homolog von AQI1. Beide Proteine sind in der Lage an das Aquaporin zu binden und den Kanal zu verschließen. Der Einstrom von Wasser und Wasserstoffperoxid kann dadurch verhindert werden. Aquaporin Interactor 1 bindet dabei bevorzugt an das im Tonoplasten lokalisierte Aquaporin TIP1.1, während Aquaporin Interactor 2 stärker an das in der Plasmamembran lokalisierte Aquaporin PIP2.2 bindet. Aquaporin Interactor 1 ist innerhalb der Vakuole oder an der Tonoplastenmembran lokalisiert. Im Gegensatz dazu wird für Aquaporin Interactor 2 eine Lokalisation im Apoplasten angenommen. So kann AQI1 die Aquaporine der Tonoplastenmembran und AQI2 die Aquaporine der Plasmamembran regulieren. Bekannt ist die humane Aminoacylase 1 für ihre Fähigkeit zur Hydrolyse von N-acetylierten Aminosäuren. Dabei hat das Zink-bindende Metalloenzym ein weites Substratspektrum. Das bevorzugte Substrat ist N-acetyl-Methionin. Auch das pflanzliche Homolog AQI1 ist zur Hydrolyse dieses Substrats fähig und für die Funktion ebenfalls auf Metallionen angewiesen. Aquaporin Interactor 2 besitzt keine solche Aminoacylase Aktivität. aqi1 „knock-out“ Mutanten in Arabidopsis thaliana und Nicotiana tabacum zeigen eindeutig, dass die Hydrolyse von N-acetyl-Methionin ausschließlich von AQI1 bewerkstelligt werden kann. Diese Aminoacylase-Aktivität wird für die Bindung an die Aquaporine aber nicht benötigt. Die Aminoacylase-Aktivität und die Fähigkeit zur Bindung an die Aquaporine sind zwei unabhängige Funktionen von Aquaporin Interactor 1. Nach bisherigem Kenntnisstand muss davon ausgegangen werden, dass AQI2 ausschließlich als Aquaporin-regulierendes Protein fungiert. Nach Pathogenbefall ist im betroffenen Pflanzengewebe eine verstärkte Aminoacylase-Aktivität zu detektieren. Sowohl nach Agrobakterieninfiltration, als auch nach Infektion mit Tabakmosaikvirus, ist diese AQI1 Induktion zu beobachten. Dies demonstriert eine Rolle des Proteins bei der Pathogenabwehr. Ein weiteres Aquaporin-interagierendes Protein ist BHRF1, ein anti-apoptotisches Protein aus dem Epstein-Barr-Virus. Bisher konnte diese Interaktion nur für pflanzliche Aquaporine gezeigt werden. BHRF1-transgene N. tabacum Pflanzen zeigen spontan auftretende Zelltodereignisse. Diese werden vermutlich durch die Interaktion mit den Aquaporinen und mehreren Proteinen des G-Protein Signalwegs hervorgerufen. Durch die Bindung von BHRF1 an die Aquaporine kann es die endogenen Interaktionspartner AQI1 und AQI2 verdrängen. Eine korrekte Regulation der Aquaporine durch AQI1 und AQI2 ist somit nicht mehr gewährleistet. Zudem bindet BHRF1 an das pflanzliche AtRGS1 (regulator of G-protein signalling) Protein, einem Glukosesensor. AtRGS1 ist eine Kombination aus G-Protein gekoppeltem Rezeptor und RGS Protein. Die RGS Domäne bewirkt die Hydrolyse des an die Gα-Untereinheit gebunden GTPs. BHRF1 bindet auch an humane RGS Proteine. BHRF1 hat somit auch im Menschen einen möglichen Einfluss auf den G-Protein Signalweg. Eine genaue Regulation der Aquaporine für die Zelltodregulation ist von großer Wichtigkeit. Eine Fehlregulation, wie sie durch das virale BHRF1 zustande kommt, führt zu Zelltodereignissen. BHRF1 tritt dabei vermutlich in Konkurrenz mit den endogenen Interaktionspartnern der Aquaporine und den Proteinen des G-Protein Signalwegs und verursacht somit eine Fehlregulation verschiedener Signalwege.