Charakterisierung von Proteinen mit Lysin-Motiven und ihre Rolle in der Peptidoglycanperzeption und der angeborenen Immunität in Arabidopsis thaliana

Abstract

Mikroben-assoziierte molekulare Muster (MAMPs) lösen in Pflanzen Immunreaktionen aus. Ein Beispiel hierfür ist Peptidoglycan (PGN), ein essentieller Bestandteil bakterieller Zellwände. Peptidoglycan aus Gram-positiven und Gram-negativen Bakterien induziert typische Immunreaktionen in Arabidopsis thaliana. In dieser Arbeit wurden mit LYM3 und CERK1 zwei Proteine mit Lysin-Motiven (LysM) in A. thaliana identifiziert, die jeweils beide für die Perzeption von hochaufgereinigtem PGN und die Induktion der A. thaliana Wirtsimmunität gegenüber bakteriellen Infektionen notwendig sind. LYM3 ist durch einen Glycosylphosphatidylinositolanker mit der pflanzlichen Cytoplasmamembran assoziiert und besitzt eine extrazelluläre Domäne aus zwei Lysin-Motiven. Mit Hilfe dieser Domäne bindet LYM3 spezifisch und reversibel PGN. CERK1 ist eine membranständige Rezeptor-ähnliche Kinase mit einer extrazellulären Domäne aus drei Lysin-Motiven. CERK1 bindet PGN selbst nicht. LYM3 und CERK1 bilden somit ein Rezeptorsystem zur PGN-Perzeption in A. thaliana. LYM3 und CERK1 erkennen gleichermaßen PGN des Lys- und des DAP-Typs. A. thaliana besitzt ein Erkennungssystem, welches nicht zwischen Gram-positivem und Gram-negativem PGN unterscheidet. Lysin-Motive sind bekannte Bindemotive für Kohlehydratoligomere aus N-Acetylglucosaminmonomeren. Die Perzeption von PGN durch LysM-Proteine neben der von pilzlichem Chitin oder rhizobiellen Nodulationsfaktoren bestätigt die Bedeutung dieser Rezeptorklasse für die pflanzliche Erkennung mikrobieller, molekularer Muster mit GlcNAc-haltigem Glycanrückgrat. LysM-Proteine vermitteln sowohl antagonistische wie auch symbiontischen Interaktionen zwischen Pflanzen und Mikroben. PGN ist als konserviertes, prominentes, bakterielles Oberflächenmolekül von essentieller Bedeutung für die Integrität von Bakterien und existiert in Eukaryonten nicht. Daher ist es prädestiniert als Mikroben-assoziiertes molekulares Muster. Die Erkennung von PGN über die Grenzen der biologischen Reiche hinweg kann als Folge konvergenter Evolution interpretiert werden. PGN stellt somit eines der molekularen Muster dar, deren spezifische Erkennung in multizellulären Eukaryonten sehr weit verbreitet ist und in Wirbeltieren, Insekten und Pflanzen zu finden ist.

Microbe-associated molecular patterns (MAMPS) trigger immune responses in plants. An example is represented by peptidoglycan (PGN) which is an essential constituent of bacterial cell walls. PGN from both Gram-positive and Gram-negative bacteria induces typical immune responses in Arabidopsis thaliana. Two lysin-motif (LysM) containing proteins – LYM3 and CERK1 – are necessary for the perception of highly purified PGN and for the induction of A. thaliana host immunity to bacterial infections. LYM3 is associated with the plant plasmamembrane via a glycosylphosphatidyl anchor and contains an extracellular domain of two lysin-motifs. This domain enables LYM3 to bind PGN specifically and reversibly. CERK1 is a transmembrane receptor-like kinase (RLK) with an extracellular domain containing three lysin-motifs. CERK1 is not able to bind PGN. LYM3 and CERK1 therefore establish a receptor system for PGN perception in A. thaliana. LYM3 and CERK1 perceive PGN of both the DAP-type as well as of the Lys-type. Consequently, PGN perception in A. thaliana does not discriminate between PGN derived from Gram-positive or Gram-negative bacteria. lysin-motifs are well-known binding motifs for carbohydrate oligomers containing N-acetylglucosamin. The perception of PGN by LysM proteins besides the perception of fungal chitin or rhizobial nodulation factors confirms the significance of this receptor class in mediating symbiosis between plants and benefactors as well as defense against pathogens. PGN is a conserved bacterial surface molecule. It is essential for the bacterial physiology and does not exist in Eukaryotes. These properties make PGN an excellent target for innate immune systems. Indeed, the perception of PGN is present in different biological kingdoms. The structural differences of the perception systems point to a convergent evolution of PGN recognition.