C3-Transferase

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Einleitung

C3-Transferase (C3) ist ein vielversprechender Therapieansatz für das Glaukom. Neben der Senkung des intraokularen Drucks (IOD) kann C3 retinale Ganglienzellen (RGC) nach einer Schädigung schützen und regenerieren. Diese Effekte waren jedoch durch die kurze Wirkdauer und die ungleichmäßige Verteilung der C3-Wirkung begrenzt.

PEPC-Transformation von C3-Pflanzen

Im Vergleich zu Rubisco in C3-Pflanzen weist PEPC in C4-Pflanzen eine höhere Affinität zu atmosphärischem CO₂ auf und wird nicht durch Konkurrenz mit O₂ gehemmt. In frühen Studien zur genetischen Transformation von C3-Pflanzen lag der Fokus auf PEPC, einem Schlüsselenzym der C4-Photosynthese. Eine zwanzigfache Überexpression von PEPC in Pflanzen induzierte eine 4- bis 6-fache Erhöhung der zytoplasmatischen NADP-ME-Aktivität und förderte damit die Freisetzung von CO aus PEP-Carboxylierungsprodukten in Chloroplasten.

PEPCK-Transformation von C3-Pflanzen

Die Expression des C4-typischen PEPC-Enzymgens in C3-Pflanzen ist lediglich der erste Schritt zur Etablierung einer intrazellulären CO₂-Pumpe in C3-Pflanzen. Malat oder Aspartat, die unter der Wirkung von PEPC gebildet werden, gelangen über interzelluläre Filamente aus dem Chloroplasten in den Chloroplasten der Bündelscheidenzellen. Die Freisetzung von CO₂ aus dem Chloroplasten hängt vom Typ der Decarboxylase ab und wird entweder durch Phosphoenolpyruvat-Carboxykinase (PEPCK) oder durch das NADP-Malatenzym katalysiert, wobei PEPCK die Decarboxylierung von OAA als einfachsten Weg katalysiert. Da PEPCK selbst ein zytoplasmatisches Enzym ist, wird zudem ein Abschnitt eines Chloroplasten-Transitpeptids benötigt, um seine Expression in Chloroplasten zu dirigieren.

Transformation von C3-Pflanzen durch NADP-ME

NADP-ME ist ein weiteres Schlüsselenzym im NADP-ME-Typ des C4-photosynthetischen Stoffwechselwegs. NADP-ME, lokalisiert in den Chloroplasten der Bündelscheidenzellen, katalysiert die Decarboxylierung von Malat oder Aspartat. Die NADP-ME-Aktivität korreliert negativ mit dem Chlorophyllgehalt und der Photorespirationsaktivität.

PPT-Transformation von C3-Pflanzen

Der effiziente Betrieb des C4-photosynthetischen Stoffwechselwegs erfordert nicht nur eine Reihe von C4-photosynthetischen Enzymen zur Katalyse der Reaktionen, sondern auch verschiedene transmembrane Transportprozesse, einschließlich des Eintritts von Pyruvat in den Chloroplasten über den Pyruvat/H⁺-Symporter der Chloroplasten sowie des Eintritts von im Chloroplasten gebildetem PEP über den Phosphoenolpyruvat/Phosphat-Translokator (PPT). PPT ist das einzige essenzielle Transportprotein für den C-Stoffwechsel, wurde aus einer Vielzahl von Nicht-C4-Geweben kloniert und hinsichtlich seiner geringen Aktivität in den Chloroplasten-Endosomen und nichtgrünen Plastiden von C3-Pflanzen analysiert, was ein limitierender Faktor für den Tetracarbon-Dicarbonsäurezyklus sein könnte.

Kombinatorische Expression von Schlüsselenzymgenen der C4-Photosynthese in C3-Pflanzen

Die Überexpression einzelner Enzymgene des C4-Zyklus in C3-Pflanzen ist ein Ansatz zur genetischen Modifikation von C3-Pflanzen mit hoher Lichtnutzungseffizienz. Da der C4-Zyklus durch das synergistische Zusammenwirken mehrerer Enzyme und Transportproteine realisiert wird und in C3-Pflanzen endogene Enzyme und Transportproteine des C-Zyklus vorhanden sind, diese jedoch weniger aktiv sind und an unterschiedlichen Orten exprimiert werden, führt die Erhöhung der Expression einzelner Gene nicht zur Etablierung eines vollständigen C4-Zyklus in C3-Pflanzen; zudem besteht das Risiko, den normalen Stoffwechsel von C3-Pflanzen zu stören. Da alle C4-Enzyme in C3-Pflanzen unterschiedliche Funktionen ausüben, könnte die Analyse von Transbis(gen)- und Poly(gen)-Pflanzen einen effektiven Weg zur Etablierung eines einzelligen C4-Zyklus in C3-Kulturpflanzen identifizieren.