Ein Forscherteam der University of Massachusetts Amherst hat kürzlich eine bahnbrechende Studie veröffentlicht, die eine zentrale Frage der Biologie beantwortet: Wie organisieren Organismen ein breites Spektrum zellulärer Prozesse, wenn sie einer Veränderung – sei es intern oder in der äußeren Umgebung – ausgesetzt sind, um darin zu gedeihen? Gute Zeiten oder die schlechten Zeiten überleben?
Die Forschung konzentrierte sich auf Pflanzen und veröffentlicht In Zelle, identifiziert die Wechselwirkungen zwischen vier Verbindungen: Pektin, den Rezeptorproteinen FERONIA und LLG1 und dem Signal-RALF-Peptid. Insbesondere entdeckte das Team, dass ein molekularer Kondensationsprozess, der als Flüssig-Flüssig-Phasentrennung bezeichnet wird und zwischen Pektin und RALF an der Grenzfläche zwischen Zellwand und Zellmembran stattfindet, bestimmt, wie ein Reiz viele zelluläre Prozesse auslöst. Zusammen erzeugen diese Prozesse eine für die Pflanze vorteilhafte Reaktion.
„Biologen arbeiten oft linear: Wir beobachten, wie ein Reiz eintrifft, und überwachen dann eine spezifische Reaktion entlang eines bestimmten zellulären Signalwegs, von dem wir glauben, dass er hinter dieser Reaktion steckt. Aber in Wirklichkeit unterhalten Zellen eine Vielzahl von Signalwegen, die sorgfältig gepflegt und gepflegt werden.“ müssen ständig koordiniert werden“, sagt Alice Cheung, angesehene Professorin für Biochemie und Molekularbiologie an der UMass Amherst und leitende Autorin des Artikels.
Cheung und ihr langjähriger Mitarbeiter und Co-Senior-Autor Hen-Ming Wu beschäftigen sich mit der Frage von Reiz und Reaktion, seit sie 2010 und 2015 entdeckten, dass das FERIONIA-LLG1-Rezeptorpaar ein idealer Kandidat ist, um das herausfordernde Rätsel zu lösen . FERONIA-LLG1 beeinflusst fast alle Aspekte des Pflanzenlebens – das Wachstum vom gerade gekeimten Sämling bis zur Reife und Fortpflanzung der nächsten Generation und die Bewältigung aller Arten von Herausforderungen dazwischen, wie Krankheiten und klimatische Extreme.
„Es hat viele Jahre gedauert von zwei sehr engagierten Nachwuchskollegen, dem Postdoktoranden James Ming-Che Liu und der Doktorandin Jessica Fang-Ling Yeh, den Co-Erstautoren der Arbeit, und einem kürzlich promovierten Doktoranden der Molekular- und Zellbiologie , Robert Yvon“, sagt Cheung. „Gemeinsam haben sie eine Reihe von Studien abgeschlossen, die aus unterschiedlichen, aber bewusst gestalteten Blickwinkeln begannen, um eine zusammenhängende Geschichte zu liefern, die sonst unmöglich zu erzählen wäre.“
Die Untersuchung begann mit einer Untersuchung darüber, wie das Signal (oder der Ligand) RALF FERONIA-LLG1 in der Zellmembran beeinflusst. Das Team beobachtete einige rätselhafte Ergebnisse: Die Zelle nahm FERONIA-LLG1 nicht einfach in die Zelle auf, ein Prozess, der als Endozytose bekannt ist und eine typische Reaktion ist; Jedes vom Team getestete Zellmembranmolekül war betroffen. Darüber hinaus blieb der Ligand RALF im Gegensatz zur typischen Ligand-Rezeptor-Interaktion außerhalb der Zelle in einer pektinreichen extrazellulären Matrix, der Zellwand.
Anschließend untersuchte das Team die biochemischen und biophysikalischen Wechselwirkungen zwischen den vier Molekülen, wie sich diese Wechselwirkungen auf das Verhalten dieser Moleküle auf zellulärer Ebene auswirken und wie sie sich auf die physiologischen Ergebnisse der Pflanzen auswirken, indem sie zwei häufig auftretende Umweltbelastungen nutzen: erhöhte Temperatur und Salzgehalt.
Die Ergebnisse liefern erstmals einen Mechanismus, der erklärt, wie Pflanzenzellen als Reaktion auf ein einziges Stresssignal viele verschiedene Wege koordinieren, um widerstandsfähiger zu werden und zu überleben. Die Arbeit zeigt auch zum ersten Mal, wie die Phasentrennung an der Grenzfläche zwischen Zellwand und Zellmembran, der Frontlinie, an der eine Pflanzenzelle äußere Reize erkennt und darauf reagiert, eine kollektive zelluläre Reaktion tiefgreifend beeinflussen kann.
Cheung fügt hinzu, dass „die Arbeit ohne die Kerneinrichtungen des Institute of Applied Life Sciences und den Beitrag von James Chambers, Direktor des Light Microscopy Core und Mitautor des Papiers, nicht hätte durchgeführt werden können.“
Mehr Informationen:
Ming-Che James Liu et al.: Extrazelluläre Pektin-RALF-Phasentrennung vermittelt die globale Signalfunktion von FERONIA. Zelle (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.11.038