Zusammenfassung der Inaugural-Dissertation
"Zur Glutathionbiosynthese in Brassica juncea"

Die Biosynthese von Glutathion (GSH) verläuft über zwei sequentielle Reaktionen, die von den Enzymen g-Glutamylcystein-Synthetase und Glutathion-Synthetase katalysiert werden. Das Tripeptid Glutathion hat vielfältige Funktionen im pflanzlichen Stoffwechsel und dient auch als Substrat für die Synthese von Phytochelatinen, die eine wichtige Rolle in der Detoxifizierung von Cd²⁺-Ionen spielen.

Zur molekularen Analyse der GSH-Biosynthese in der schwermetallakkumulierenden Pflanze Brassica juncea  unter Schwermetallbelastung, wurden zunächst verschiedene Isoformen für die g-Glutamylcystein-Sythetase (g-ECS), die GSH-Synthetase (GSHS) und das terminale Enzym der Schwefelfixierung, die O-Acetylserin(thiol)-Lyase (OAS-TL), aus einer Wurzel cDNA-Bank isoliert und charakterisiert. Die heterologe Überexpression von rekombinantem g-ECS- und GSHS-Protein in E. coli bzw. Pichia pastoris ermöglichte die Gewinnung von Antiseren gegen beide Enzyme.

Durch funktionelle Komplementation einer S. cerevisiae Mutante (gsh1) mit der g-ECS aus B. juncea konnte die Identität pflanzlicher g-Glutamylcystein-Synthetasen bestätigt werden. Zusätzlich wurde gezeigt, daß es zur g-ECS aus B. juncea strukturell verwandte Proteine in Vertretern der Solanaceen und in der monokotylen Pflanze Oryza sativa gibt.

Frühere biochemische Analysen, welche die Aktivität beider Enzyme der GSH-Biosynthese in Chloroplasten und im Cytosol pflanzlicher Zellen nachgewiesen haben, wurden durch Western Blot Analysen ergänzt. Die Untersuchungen zur subzellulären Lokalisation der GSH-Biosyntheseenzyme in B. juncea führten zum Nachweis mehrerer cytosolischer und chloroplastidärer Isoformen mit unterschiedlichen Molekulargewichten in Wurzel- bzw. Blattgewebe. Zusätzlich konnten eindeutige Hinweise dafür erbracht werden, daß die GSH-Biosynthese nicht auf das Cytosol und die Chloroplasten beschränkt ist, sondern Isoformen beider Enzyme auch in Mitochondrien und Peroxisomen lokalisiert sind. Dies deutet auf eine autonome GSH-Biosynthese in diesen Organellen hin.

In einem weiteren Projekt standen molekularphysiologische Untersuchungen zur Regulation der Expression von OAS-TL, g-ECS, GSHS und MT2 inB. juncea unter Schwermetallionenstress im Mittelpunkt. Die Exposition mit vergleichbaren Cd²⁺- bzw. Cu²⁺-Konzentrationen führt zu unterschiedlichen Effekten in B. juncea. Nach Cd²⁺-Behandlung findet eine massive, entwicklungsabhängige Phytochelatinsynthese in den Blättern statt, die zu einer koordinierten Expressionszunahme von OAS-TL, g-ECS und GSHS in B. juncea führt. Als Reaktion auf den erhöhten cytosolischen Bedarf an GSH erfolgt eine Zunahme der cytosolischen g-ECS Isoform, verbunden mit einem Rückgang der chloroplastidären Isoform. Cu²⁺-Ionen werden von B. juncea in schwächerem Maße akkumuliert als Cd²⁺-Ionen und führen zu niedrigeren Phytochelatin (PC)-Gehalten, ohne daß sie einen nennenswerten Einfluß auf die Expression der g-ECS haben.

Metallothioneine sind kleine Proteine, die in der Homöostase essentieller Schwermetallionen in Pflanzen eine Funktion haben. Hohe PC-Gehalte haben, unabhängig vom untersuchten Gewebe und Entwicklungszustand der Pflanzen, eine Abnahme der MT2-Expression zur Folge. Dies deutet auf eine Interferenz von PC mit der Funktion von MT2 in der zellulären Schwermetallhomöostase hin.

Molekularbiologische Ansätze zur Optimierung der Phytosanierungskapazität von B. juncea werden anhand einiger Beispiele diskutiert.

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