"Mach eine Blüte!"

Pflanzenstammzellen sind sehr kompliziert reguliert. Am MPI für Entwicklungsbiologie wird versucht, die regulierenden Netzwerke zu verstehen.

Von Sarah-Lena Schilli

Arabidopsis thaliana ist die häufigste Modellpflanze der Genetik. Wenig spektakulär auf den ersten Blick, um nicht zu sagen langweilig, aber da muss man eben genauer hinschauen:

Abbildung 2: Wildtyp Blüte (Elektronenmikroskopaufnahme) (Quelle: Jürgen Berger, MPI für Entwicklungsbiologie, Tübingen)
Die Abbildung zeigt eine einzelne Wildtyp-Blüte. "Wildtyp" bedeutet, dass das Genom dieser Pflanze nicht künstlich verändert wurde. Ein Wildtyp dient deswegen immer als Kontrolle zu genetisch veränderten Pflanzen, so genannten Mutanten.
Es kann z.B. sein, dass man die DNA verändert, und die betroffene Pflanze dann 5 statt 4 Blütenblätter hat - oder dass sich sonst etwas am Aussehen verändert. Ob das dann Zufall ist oder nicht, das kann man nur beurteilen, wenn man sich die möglichst genau gleich gewachsenen Wildtyp Pflanzen parallel anschaut.

Was fangen wir denn nun mit diesem sagenhaften Gewächs an?

In meiner Arbeitsgruppe wird die Regulation von Pflanzenstammzellen untersucht. Stammzellen, das hört sich erstmal nach Verboten und politischer Debatte an. Dazu muss man nun sagen, dass in der Tat die meisten Tiere – also auch wir – totipotente Stammzellen nur im befruchteten Ei und in einigen direkt darauf folgenden Stadien besitzen. Totipotent bedeutet, dass die Zellen in der Lage sind, einen gesamten Organismus zu bilden. Die nächsten Stadien sind nur noch pluripotent, d.h. sie können jeden Zelltyp bilden, aber keinen ganzen Organismus mehr. Viele Pflanzenzellen können während des gesamten Pflanzenlebens wieder zu totipotenten Stammzellen werden.
Es bietet sich also an, erstmal Pflanzenstammzellen zu untersuchen, um Grundlegendes über Stammzellen im Allgemeinen zu erfahren, da viele Mechanismen in Pflanze und Tier gleich sind.

Stammzellen kann man nicht mit dem bloßen Auge von anderen Zellen unterscheiden, man weiß aber inzwischen, dass erstere sich in den wachsenden Teilen der Pflanze befinden. Was ja auch Sinn macht, denn dort werden nacheinander die verschiedensten Zelltypen benötigt. Diese Teile der Pflanze nennt man Meristeme. Dort sitzen auch die Faktoren, die der Stammzelle die Anweisung geben, was sie zu tun hat: z.B. "Mach eine Blüte!" (Entwickle dich weiter, wir brauchen mehr Zellen), "Nein, es gibt zu wenig Wasser, doch erstmal nur langsam weiter wachsen!" (Bleib so wie du bist!). Wer schon seinen "schwarzen Daumen" an seinen Zimmerpflanzen unter Beweis gestellt hat, kann sich vielleicht vorstellen, dass die Pflanze ein ganz schön kompliziertes System aufgebaut hat, um sich vor dem Untergang zu schützen. Sie muss ja schließlich irgendwie wissen, wann was am Besten für sie ist: In welche Richtung wachsen, Blüten ausbilden oder doch lieber auf Energiesparmodus umstellen, etc.
In Bezug auf die Stoffart können Faktoren beinahe alles sein: DNA, RNA, Protein, Hormon etc. Gene können sich also sowohl auf DNA-, wie auch auf RNA- und Proteinebene untereinander beeinflussen. Um aber einen Einblick in die Bezeichnungen zu geben, nenne ich hier nun ein paar Beispiele aus unserem Labor, die z.T. auch später wieder auftauchen: WUS = WUSCHEL (weil die mutante Pflanze so wuschelig aussieht, siehe Abbildung 5) ROXYs = Familie der Glutarredoxine PAN = PERIANTHIA. Die Namen der Stoffe werden von den Wissenschaftlern bestimmt, welche sie als erste identifizieren. Sie können deshalb - wie man sieht - mehr oder weniger originell ausfallen. Die Abkürzungen versucht man so gut es geht eindeutig zu halten, um bei der Vielzahl an Faktoren Verwechslungen zu vermeiden.

Wie finde ich nun heraus, wer in diesem Schlamassel den Ton angibt? Und wo fange ich an?

Wenn man voraussetzt, dass man durch vorherige Experimente schon herausgefunden hat, welche Faktoren eine Rolle spielen, gibt es zwei grundsätzliche Methoden, Genaueres über sie zu erfahren:
1. man knockt die Faktoren aus, d.h. man entfernt deren DNA bzw. man macht sie nicht funktional (KO-Mutante),
2. man überexprimiert die Faktoren, d.h. man veranlasst die Pflanze, mehr von den genannten Faktoren herzustellen (OE– Mutante) bzw. – wenn die da gerade keine Lust drauf hat – man schleust manipulierte DNA in das Genom ein, die dann hoffentlich tut was man will.
In beiden Fällen muss man natürlich überprüfen, ob das ganze Prozedere auch den gewünschten Effekt erzielt hat – ob mehr, bzw. gar nichts mehr von dem Faktor übrig ist - , bevor man sich an weitere Aussagen wagt.

Blüte

Abbildung: Wuschel-Mutante (Quelle: Christoph Schuster, MPI für Entwicklungsbiologie, Tübingen)
Die erzeugten KO- oder OE-Mutanten kann man nun auf verschiedenste Weisen untersuchen:
1. Schauen, ob sich am Aussehen etwas geändert hat – das tut es manchmal ganz gewaltig, vergleiche die WT-Pflanze von Abbildung 6).
2. Überprüfen, ob und wie sich die DNA-, RNA- und Proteinmenge des veränderten Faktors verändert hat. Das ist gleichzeitig auch die Kontrolle, ob die Überexpression oder das Knockout funktioniert haben.
3. Überprüfen, ob und wie sich die DNA-, RNA- und Proteinmengen anderer Faktoren aufgrund des Eingriffs verändert haben.
4. Mehrere Faktoren gleichzeitig verändern, um eventuell sich addierende bzw. sich ausgleichende Effekte zu erzielen (Doppel-, Tripel, Quadrupel-Mutanten usw.). So kann man sich also Schritt für Schritt ein Bild davon machen, wer wen beeinflusst, ob positiv oder negativ, und wie stark.

Meine Arbeitsgruppe hat zum Beispiel die genetischen Interaktionen zwischen wichtigen Genen für die Blütenbildung, ROXY und PERIANTHIA (PAN), untersucht:
Dazu wurden, wie oben beschrieben, Knockout- und Überexpressionsmutanten analysiert. Diese haben wir erst einzeln und dann in Kombination angeschaut: z.B. PAN-OE mit ROXY-KO oder PAN-KO mit ROXY-KO etc. Die Mutanten haben wir auf ihr Aussehen, die RNA- und Proteinmenge hin untersucht. Mit diesen Experimenten konnten wir auf reprimierende und aktivierende Effekte untereinander schließen und ein Netzwerk ähnlich dem obig gezeigten erstellen.

Von der DNA zum Protein DNA (oder auf Deutsch DNS = Desoxiribonukleinsäure) sitzt in den Zellkernen. Sie trägt die Erbinformation und steuert die Lebensvorgänge. Dazu muss sie aber erst in eine im Körper bewegliche Form umgewandelt werden, die RNA (Ribonukleinsäure). Bei dieser Umwandlung werden "zur besseren Verwendbarkeit" Teile weggelassen und weitere Änderungen vorgenommen. Aus RNA kann wiederum Protein entstehen, welches andere Funktionen des Gens erfüllt.
Abbildung 1 Von DNA zu Protein (Quelle: Wikipedia "Spleißen")

Ein Gen ist nun nichts anderes als ein Abschnitt auf der DNA, aus dem wie gesagt RNA und Ein Gen ist nun nichts anderes als ein Abschnitt auf der DNA, aus dem wie gesagt RNA und Protein entstehen. Man benennt diese Abschnitte gesondert, weil nicht etwa die ganze DNA abgelesen wird, sondern lediglich diejenigen Gene, deren Funktion benötigt wird. Viele Teile der DNA haben "nur" regulatorische Funktion.
Als Genom eines Organismus bezeichnet man alle Gene zusammen.

Die Information der DNA besteht aus der Abfolge von aneinander geketteten Molekülen, der Sequenz. Aus der Sequenz alleine kann man aber meistens noch nichts über die Funktion des Gens sagen. Dazu muss man erst weitere Experimente anstellen.

Arabidopsis als Modell Ein Modellorganismus ist ein Organismus, der sich besonders für Experimente eignet. Um Ergebnisse vergleichbar zu machen, bietet es sich an, dass Experimente am gleichen Modell durchgeführt werden. Für die Pflanzengenetik bietet sich Arabidopsis thaliana an, weil sie sich gegenüber anderen Pflanzen durch verschiedene Eigenschaften auszeichnet:

kurzer Lebenszyklus (8 Wochen)
die Pflanze ist klein (20-40cm) und damit gut zu halten – im Gegensatz zu Mais oder Tabak
sie produziert viele identische Nachkommen
kleines Genom mit bekannter Sequenz
das Genom besteht vorwiegend aus DNA-Sequenzen, die in RNA und Protein abgelesen werden und nicht nur regulierende (= kompliziert zu bestimmende) Funktion haben
genetische Manipulationen sind recht einfach durchzuführen.

Autoren:

Sarah-Lena Schilli Funktion: HiWi Betreuerin: Annette Maier (PhD)
Arbeitsgruppe Prof. Dr. Jan Lohmann (jetzt Uni Heidelberg)
Max-Planck-Institut für Entwicklungssbiologie, Tübingen

Die Autorin ist HiWi in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Jan Lohmann (jetzt Uni Heidelberg).
Das Projekt betreut Annette Maier (PhD) am MPI für Entwicklungssbiologie, Tübingen.

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