Molekulare Mechanismen der Aufnahme, Detoxifizierung und Akkumulation von Metallen

Abstract

Ionen von Übergangsmetallen wie Kupfer oder Zink sind essentiell für alle Organismen, können jedoch wegen ihrer Reaktivität sehr leicht toxisch wirken. Aus Essentialität und potentieller Toxizität ergibt sich die Notwendigkeit, in Zellen und Geweben die Konzentrationen dieser Metallionen in einem sehr engen Rahmen zu kontrollieren. Aufnahme, Chelatierung und Speicherung müssen genau reguliert erfolgen. Nicht homöostatisch kontrolliert, sondern toleriert werden müssen Ionen nicht-essentieller toxischer Metalle wie Blei oder Cadmium, denen viele Organismen - nicht zuletzt aufgrund anthropogener Einflüsse - ausgesetzt sein können. Diese Arbeit hatte zum Ziel, an der Aufnahme, Detoxifizierung und Akkumulation von Metallen beteiligte Gene zu identifizieren und funktionell zu charakterisieren. Aufbauend auf der heterologen Expression von cDNAs in Saccharomyces cerevisiae konnte erstmals für einen pflanzlichen Transporter Cd2+-Aufnahmeaktivität gezeigt werden. LCT1 aus Triticum aestivum repräsentiert außerdem das erste molekular identifizierte pflanzliche Ca2+-Aufnahmesystem. Expressionsklonierung von Cadmium-Toleranzgenen in S. cerevisiae ermöglichte die Identifizierung einer neuartigen Genfamilie, die - wie eine Reihe funktioneller Studien gezeigt haben - für Phytochelatinsynthasen kodiert. Diese Enzyme katalysieren die Bildung von Phytochelatinen aus Glutathion. Phytochelatine sind kleine, metallbindende Peptide. Ihre Synthese ist essentiell für die Cadmium- und Arsen-Detoxifizierung in einer Reihe von Organismen. Verschiedene Phytochelatinsynthasen sind im Rahmen dieser Arbeit funktionell charakterisiert worden. Zudem wurden Studien zur Aktivierung dieser Enzyme durch Metallionen unternommen. Da Schizosaccharomyces pombe-Zellen - im Gegensatz zu S. cerevisiae-Zellen - Phytochelatine bilden, sind sie als Modellsystem für die Untersuchung der Beiträge anderer Prozesse zur Metallhomöostase in Phytochelatin-bildenden Zellen genutzt worden. Dies hat zu grundlegend neuen Einsichten zum Zink-Stoffwechsel und zu Mechanismen der Cadmium-Toxizität geführt. Um die molekulare Analyse der pflanzlichen Metalltoleranz und -akkumulation voranzubringen, ist der Metallophyt Arabidopsis halleri, ein Zn- und Cd-Hyperakkumulierer, der z.B. auf mittelalterlichen Halden im Harz vorkommt, als Modellsystem etabliert worden. Verschiedene Ansätze des "Expression Profiling" haben zur Identifizierung von potentiellen Metalltoleranz - und hyperakkumulationsfaktoren geführt.

Ions of transition metals such as copper and zinc are essential for all living systems. However, due to their reactivity they can be toxic at elevated concentrations. Essentiality and potential toxicity necessitate a strict control of intracellular concentrations. Uptake, chelation, and storage have to be tightly regulated. Furthermore, mechanisms of tolerance towards non-essential metals such as cadmium or lead are required, because most organisms can - partly due to anthropogenic causes - be exposed to these metals. Major objective of these studies was to identify and functionally characterize genes involved in metal uptake, detoxification and accumulation. Based on heterologous expression of plant cDNAs in Saccharomyces cerevisiae, Cd2+ uptake activity could be demonstrated for the first time for a plant transporter. LCT1 from Triticum aestivum was also shown to encode the first molecularly identified Ca2+ uptake system from plants. Expression cloning of cadmium tolerance genes in S. cerevisiae led to the identification of a novel gene family. A series of functional studies revealed, that these genes encode phytochelatin synthases. These enzymes catalyze the formation of phytochelatins from glutathione. Phytochelatins are small, metal-binding peptides. Their synthesis is essential for cadmium and arsenic detoxification in a range of organisms. Different phytochelatin synthases were functionally characterized. Furthermore, the mechanisms of metal activation of these enzymes were studied. Because Schizosaccharomyces pombe cells - in contrast to S. cerevisiae cells - synthesize phytochelatins, they were used as a model to investigate the contribution of other potential metal homeostasis factors in phytochelatin-synthesizing cells. These studies led to new insights into zinc metabolism and mechanisms of cadmium toxicity. In order to promote the molecular elucidation of plant metal tolerance and accumulation, the metallophyte Arabidopsis halleri was established as a model system. This Zn/Cd hyperaccumulator grows, for instance, on medieval mining sites in the Harz mountains. Different expression profiling approaches led to the identification of potential metal tolerance and accumulation factors.