The functional characterization of AtStr5, a member of the sulfurtransferase/rhodanese family of Arabidopsis thaliana, and its arsenic phytoremediation studies

Abstract

Das AtStr5-Protein teilt strukturelle Eigenschaften mit den Enzymfamilien der Phosphatasen, der Sulfurtransferasen und der Arsenat-Reduktasen, was zu Schwierigkeiten in der funktionellen Einordnung dieses Proteins führt. Die vorliegende Studie zeigt den Versuch, die Funktion dieses Proteins zu entschlüsseln, sei es als Phosphatase (Arath; CDC25), Arsenat-Reduktase (AtACR2) oder Sulfurtransferase. Für die enzymatische Charakterisierung wurde das AtStr5-Protein, das nur eine Rhodanese-Domäne enthält, in Escherichia coli überexprimiert. Enzymatische Bestimmungen zeigen, dass das AtStr5-Protein eine Phosphatase-Aktivität, aber keine Sulfurtransferase-Aktivität besitzt. Trotz seiner Fähigkeit die Phosphat-haltigen Substrate wie 3-OMFP und pNPP umzusetzen, zeigen die kinetischen Parameter (Km, kcat, and kcat/Km) der AtStr5 deutlich niedrigere Werte als das menschliche CDC25-Protein. Daher bleibt die Rolle von AtStr5 als mitotischem Induktor Arath;CDC25 fraglich. Informationen über die Lokalisierung des AtStr5-Proteins in der Zelle aufzuzeigen, wurden die Sequenzen codierend für das gesamte AtStr5-Protein sowie zwei am 5'-Ende verkürzte Sequenzen mit dem 5'-Ende der GFP-Sequenz fusioniert. Zur Lokalisierung der Fusionsproteine wurden die GFP-Fusionskonstrukte transient in Arabidopsis-Protoplasten exprimiert. Die Fusionsproteine mit verkürztem N-terminalen Ende wurden im Cytoplasma detektiert, während die Lokalisierung des vollständigen AtStr5-Proteins nicht eindeutig gezeigt werden konnte. Um die biologische Funktion des AtStr5/AtACR2-Proteins in vivo zu erhellen, wurden überexprimierende Pflanzen dieses Gens von Arabidopsis und Nicotiana tabacum hergestellt. Parallel wurden auch überexprimierende Pflanzen von AtStr17a produziert, da dieses Protein mit Sulfurtransferase-Domäne als High Arsenic content 1 (HAC1)- oder Arsenic tolerance QTL 1 (AtATQ1)-Gen vor kurzem in Arabidopsis identifiziert wurde. Außerdem wurde der Versuch unternommen, ko-überexprimierende Linien des Phytochelatin Synthase (AtPCS1)-Gens aus Arabidopsis und den Genen AtStr5/AtACR2 oder AtStr17a/HAC1/ATQ1 von Arabidopsis- und Nicotiana tabacum-Pflanzen zu erzeugen, um optimierte Pflanzen für die As-Phytoremediation zu entwickeln. Die transgenen N. tabacum-Pflanzen, die AtStr5/AtACR2oe-AtPCS1oe und AtStr17a/HAC1/ATQoe-AtPCS1oe überexprimieren, könnten direkt in der As-Phytoremediation eingesetzt werden.