AG Biochemische Ökologie und Molekulare Evolution

Evolution von Proteinen im Sekundärstoffwechsel (Projektgruppe Elisabeth Kaltenegger)

Die Evolution verstehen, das heißt auch: Verstehen, was die enorme pflanzliche Vielfalt hervorgebracht hat, die wir heute bewundern. Und auch: Diese Vielfalt besser schützen zu können. Denn die Erkenntnisse aus der Vergangenheit können für die Zukunft eine bedeutende Rolle spielen. Die molekularen Mechanismen der Evolution zu entschlüsseln, das ist das Ziel unserer Projektgruppe unter Leitung von Dr. Elisabeth Kaltenegger.

Als Modellorganismus wurden tropische Windengewächse (Convolvulaceae) ausgewählt, deren Verwandte als Zaun- oder Ackerwinde auch in Deutschland zu finden sind. An den tropischen Vertretern wird die Evolution der Enzyme erforscht, die für die Bildung spezieller pflanzlicher Giftstoffe verantwortlich sind – der Pyrrolizidin- und Tropan-Alkaloide (kurz: PAs und TAs). Beide Stoffe dienen dem Schutz vor Fraßfeinden. Doch während die meisten Arten TAs produzieren, liegen in nur wenigen PAs vor. Unsere Vermutung ist: Die TA-Synthese ist älter als die PA-Bildung. Dabei sind ihre Mechanismen sehr ähnlich.

Zwei Studenten und eine Tasse Kaffee

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Die beteiligten Enzyme eignen sich hervorragend für die Untersuchung der Evolution: Als Teil des Sekundärstoffwechsels unterliegen sie verhältnismäßig schnellen Veränderungen. Denn: Die Pflanzen müssen sich immer wieder an Herbivoren anpassen, die ihrerseits Wege finden, die pflanzlichen Abwehrstoffe erneut zu überlisten. Durch diesen Druck überleben langfristig nur solche Pflanzen, die dank neuer Mutationen Eigenschaften entwickelt haben, die Insekten abschrecken: Das ist Evolution.

Unsere Forschung untersucht einen wichtigen Mutationsvorgang der Evolution: Die Genduplikation. Durch sie entstanden Enzyme, die an der Bildung der oben genannten Alkaloide beteiligt sind. Für uns sind die folgenden Fragen interessant: Wie können neue Funktionen nach einer Genduplikation entstehen? Welche molekularen Mechanismen formen ein dupliziertes Gen? Genau das untersuchen wir anhand eines Schlüsselenzymes der PA-Biosynthese, der Homospermidin-Synthase (HSS), welches durch eine Genduplikation entstand und anschließend für eine neue Funktion rekrutiert wurde. Stück für Stück wollen wir die DNA der Winden-Vorfahren rekonstruieren. Damit soll gezeigt werden, welche Gen-Mutation in der HSS die Fähigkeit der PA-Biosynthese mit sich gebracht hat.

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Fachlicher Hintergrund

Genduplikation

Ein zentraler Mechanismus von Evolution ist die Genduplikation. Neben der „de novo“ Genentstehung liefert Genduplikation das genetische Material, mit dem die Evolution sozusagen „spielen“ kann. Dabei können einzelne Gene bis zu ganzen Genomen dupliziert werden. Vereinfacht zusammengefasst, kann ein dupliziertes Gen drei verschiedene Schicksale erfahren: a) es wird durch Mutationen inaktiviert und ein Pseudogen oder komplett aus dem Genom weg gereinigt (Nonfunktionalisierung), b) es erbt einen Teil der Funktionen des Vorfahrgenes (Subfunktionalisierung) und c) es gewinnt eine neue Funktion (Neofunktionalisierung).

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Welches dieser drei Schicksale nun ein dupliziertes Gen ereilt, ist Gegenstand aktueller Forschung um letztlich zu herauszufinden, welche Faktoren das Schicksal eines duplizierten Genes beeinflussen können. Diese Faktoren können sein: Expressionsstärke des duplizierten Genes, oder die Anzahl der Interaktionspartner des kodierten Genproduktes. Eine Idee ist z.B, dass Gene, dessen Genprodukte mit vielen anderen Proteinen intergieren (z.B. in einem großem Proteinkomplex) weniger häufig dupliziert werden. Auch die quaternäre Struktur eines Proteins kann möglicherweise einen Einfluss auf die Duplizierbarkeit eines Gens haben. Neben der Fähigkeit eines Gens, dupliziert zu werden, ist die Veränderbarkeit des Gens ebenfalls Gegenstand der Forschung. Welche Mutationen etwa verleihen dem Gen eine neue Funktion?

Bisher konnten wir feststellen, dass in den Convolvualceae eine Genduplikation stattfand und das „Genmaterial“ für die HSS zur Verfügung stellte. Die Funktionsänderung hin zur HSS-Aktivität erfolgte möglicherweise jedoch parallel in den zwei PA-produzierenden Pflanzengattungen Merremia und Ipomoea. Unsere Strategie ist nun mit Hilfe von bioinformatischen Analysen, begleitet durch biochemische Charakterisierung der Enzymeigenschaften, diese Hypothese zu testen. 

Projekt-, Bachelor- und Masterarbeiten

Sind Sie an dem Forschungsthema interessiert? Wir suchen interessierte Studierende, die in die Arbeitsgruppe kommen möchten. Es besteht die Möglichkeit, eine Projekt-, Bachelor- oder Masterarbeit durchzuführen. Vorkenntnisse auf dem Gebiet „Sekundärstoffwechsel der Pflanzen“ und „Molekularbiologie“ sind von Vorteil aber nicht zwingend. Erfolgreiche Bewerber können praktischen Erfahrungen in der Molekularbiologie sammeln und die unten genannten Methoden erlernen. Zusätzlich ermöglicht das Thema die Erarbeitung phylogenetischer und biochemischer Zusammenhänge.

Bei Interesse und Fragen kontaktieren Sie mich gerne! (ekaltenegger@bot.uni-kiel.de)

Forschungsmethoden

Als Forschungsmethoden verwenden wir:

  • Molekulare Methoden
    • DNA- und RNA-Isolation
    • diverse PCR-Techniken
    • Klonierung
    • Heterologe Expression und Proteinreinigung
    • Proteinaktivitätsmessungen
  • Verschiedene Methoden der Sequenzanalyse, u.a. phylogenetische Analysen

Publikationen Dr. Kaltenegger

  • Kaltenegger, E., Ober, D. (2015). Paralogue interference affects the dynamics after gene duplication. Trends in Plant Science, 20: 814-821. PMID: 26638775, DOI: 10.1016/j.tplants.2015.10.003
  • Irmer, S., Podzun, N., Langel, D., Heidemann, F., Kaltenegger, E., Schemmerling, B., Geilfus, C.-M., Zörb, C., Ober, D. (2015). A new aspect of plant-rhizobia interaction - alkaloid biosynthesis in Crotalaria depends on nodulation. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 112: 4164-4169. Pubmed, DOI: 10.1073/pnas.1423457112
  • Kaltenegger, E., Eich, E., Ober, D. (2013). Evolution of homospermidine synthase in the Convolvulaceae – a story of gene duplication, gene loss, and periods of various selection pressures. Plant Cell, 25: 1213-1227 PubMed, , OpenAccess
  • Ober, D., Kaltenegger, E. (2009). Pyrrolizidine alkaloid biosynthesis, evolution of a pathway in plant secondary metabolism. Phytochemistry, 70: 1687-1695 PubMed
  • Anke, S., Gondé, D., Kaltenegger, E., Hänsch, R., Theuring, C., Ober, D. (2008). Pyrrolizidine alkaloid biosynthesis in Phalaenopsis orchids: Developmental expression of alkaloid-specific homospermidine synthase in root tips and young flower buds. Plant Physiology 148 : 751-760. PubMed
  • Schinnerl, J., Kaltenegger, E., Pacher, T., Vajrodaya, S., Hofer, O., Greger, H. (2005). New Pyrrolo[1,2-a]azepine Type Alkaloids from Stemona and Stichoneuron (Stemonaceae). Chemical Monthly. 9, 1671-1680. Springer
  • Seger, C.; Mereiter, K.; Kaltenegger, E.; Pacher, T.; Greger H.; Hofer, O. (2004). Two Pyrrolo[1,2-a]azepine Type Alkaloids from Stemona collinsae Craib: Structure Elucidations, Relationship to Asparagamine A, and a new Biogenetic Concept of their Formation. Chemistry & Biodiversity (Helvetica Chimica Acta). 1, 265-279. PubMed
  • Kaltenegger, E.; Brem, B.; Mereiter, K.; Kalchhauser, H.; Kahlig, H.; Hofer, O.; Vajrodaya, S.; Greger, H. (2003). Insecticidal pyrido[1,2-a]azepine alkaloids and related derivatives from Stemona species. Phytochemistry (Elsevier), 63, 803-816. PubMed