Sowohl Eisenmangel als auch Eisenüberschuss belasten Pflanzen. Sie benötigen den Mikronährstoff sowohl bei der Photosynthese als auch bei enzymatischen Reaktionen. Mangelt es an Eisen, vergilben die Pflanzen und wachsen weniger; ein Überschuss kann die Zellen schädigen. Für ein gesundes Pflanzenleben muss eine ausgewogene Eisenaufnahme gewährleistet sein.
Sobald Eisen fehlt, aktivieren Pflanzen eine Signalkaskade und mehr Eisen wird über die Wurzeln aufgenommen. Proteine, die bestimmte Gene regulieren (sogenannte Transkriptionsfaktoren), spielen in diesem Prozess eine wichtige Rolle.
Ein Forschungsteam vom Institut für Botanik der HHU um Prof. Dr. Petra Bauer hat die zelluläre Lokalisierung der an der Eisenaufnahme beteiligten Transkriptionsfaktoren untersucht. Sie konzentrierten sich dabei vor allem auf einen „FIT“ genannten essentiellen Transkriptionsfaktor innerhalb der Eisensignalkaskade.
Wo die Transkriptionsfaktoren in der Pflanzenzelle auftreten, war bisher kaum erforscht. Dies zu wissen kann aber helfen, die Funktion des Proteins zu verstehen. Ebenfalls relevant ist, ob sich deren Lokalisierung verändert, denn dies kann Teil eines Regulationsmechanismus sein, der auf das Protein wirkt.
Die Studie, die nun im Journal of Cell Biology erschien, ergab, dass FIT ein dynamisches Protein ist, das sich in membranlosen Unterkompartimenten – so genannten biomolekularen Kondensaten – innerhalb der Zelle ansiedeln kann. Diese Subkompartimente betrachten die Autoren als regulatorische Knotenpunkte, die räumlich und zeitlich flexible Plattformen für die Signalübertragung und Interaktion ermöglichen.
Die Biologen fanden, dass FIT spezifisch in Kondensaten innerhalb des Zellkerns akkumuliert, wenn die Pflanzenzellen blauem Licht ausgesetzt waren. Sie untersuchten blaues Licht insbesondere, weil es ein wichtiges Umweltsignal für die Pflanze und auch die Eisenaufnahme ist.
Bereits beschrieben wurde die Bildung von Kondensaten bestimmter lichtregulierter Proteine. Biomolekulare Kondensate entstehen, wenn sich Proteinkomplexe lokal anreichern. Jedoch war ein Zusammenhang mit ernährungsphysiologischen Komponenten wie FIT bislang nicht bekannt. Es war offen, ob FIT-Kondensate zur Organisation und Effizienz zellulärer Prozesse beitragen können. Hierzu untersuchten die Düsseldorfer Forschenden genauer die Wechselwirkungen von FIT mit anderen Proteinen in Kondensaten innerhalb der Zellkerne. Hiernach kann in den Kondensaten nicht nur die Transkription, sondern auch die Regulation der mRNA – also der für die Steuerung von Prozessen von der DNA abgelesenen Erbgutabschnitte – stattfinden.
„Zum ersten Mal beobachtete ich Ansammlungen von Proteinen in Form von Kondensaten während Laborarbeiten in einem Mastermodul, in dem ich vor der einfachen Frage stand, wo das FIT-Protein in der Zelle lokalisiert ist“, sagt Erstautorin Dr. Ksenia Trofimov (jetzt Krooß). Dies war der Beginn für ein großes Forschungsprojekt: „Als wir sahen, dass sich Kondensate bildeten, hatten wir kaum eine Vorstellung davon, welche Funktion sie haben könnten, da das Forschungsthema der Kondensate im Pflanzenbereich noch neu war. Aus der ursprünglichen Frage entstanden dann zuerst meine Master- und dann meine Doktorarbeit.“
Prof. Bauer ergänzt: „Diese Arbeit hat zu einem neuen Aspekt in der Pflanzenernährung geführt. Wir müssen nun weiter erforschen, wie die Kondensate in die Signalkaskaden der Eisenaufnahme eingebunden sind und wie Umweltreize wie Licht die Eisenaufnahme schnell und dynamisch steuern können."
Die umfangreiche Mikroskopiestudie wurde durch das Center for Advanced Imaging (kurz CAi) möglich, einer leistungsstarken, fakultätsübergreifenden Bildgebungseinrichtung an der HHU.
Originalpublikation
Ksenia Trofimov, Regina Gratz, Rumen Ivanov, Yvonne Stahl, Petra Bauer, and Tzvetina Brumbarova, Corresponding Author(s): Petra Bauer, Heinrich Heine University Duesseldorf. FER-LIKE IRON DEFICIENCY-INDUCED TRANSCRIPTION FACTOR (FIT) accumulates in nuclear condensates, Journal of Cell Biology (2024).