Ein Protein mit einem integrierten Temperaturschalter
COP1 (CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENESIS 1) ist ein zentraler Regulator der Signalübertragung in Pflanzen. Er integriert Licht- und Temperatursignale und steuert so Wachstum und Entwicklung. COP1 bindet an andere Proteine und löst so deren Abbau aus.
Mithilfe molekularer und biophysikalischer Methoden zeigt das Forschungsteam nun an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand), dass COP1 seine Aktivität über einen im Protein selbst eingebauten Mechanismus temperaturabhängig reguliert. Das Protein nimmt zwei verschiedene Konformationen an.
Bei niedrigeren Temperaturen liegt es überwiegend in einer geschlossenen, weniger aktiven Form vor. Ein kurzer Abschnitt an einem Ende des COP1-Proteins enthält zwei aufeinanderfolgende Aminosäuren – Valin und Prolin, abgekürzt als VP. Dieser Abschnitt kann an eine Stelle auf COP1 binden, die als WD40-Domäne bezeichnet wird und mit der normalerweise Zielproteine interagieren würden. Bei niedrigeren Temperaturen hält diese interne Wechselwirkung COP1 in einer geschlossenen, weniger aktiven Konformation und wirkt wie eine eingebaute Sperre. Andere Proteine, darunter der Wachstumsregulator HY5, haben so weniger Zugang zur Bindungsstelle.
Mit steigender Temperatur löst sich die interne Wechselwirkung zunehmend, und COP1 nimmt eine offenere Form an. Die Region wird zugänglicher, sodass COP1 andere Proteine binden und sie zum Abbau markieren kann. Infolgedessen nimmt die Menge an Zielproteinen wie HY5 ab, und die Hemmung des Pflanzenwachstums wird verringert. Die strukturelle Veränderung von COP1 beeinflusst somit, welche Signale innerhalb der Pflanze übertragen werden.
Unterschiede zwischen Pflanzenarten liefern Hinweise auf Anpassungen
Die Forschenden veränderten gezielt das VP-Motiv und seine Bindungsstärke zur WD40-Domäne. Dadurch konnten sie beeinflussen, bei welchen Temperaturen COP1 aktiv wird und wie stark die Pflanzen auf Temperaturunterschiede reagieren. Zudem zeigte sich, dass natürliche Variationen in der Aminosäuresequenz von COP1 mit veränderten Temperaturreaktionen assoziiert sind.
Darüber hinaus verglich das Team die Sequenzen des Proteins aus verschiedenen Pflanzenarten. Interessanterweise weist COP1 bei Pflanzen aus kühleren Klimazonen eine höhere Flexibilität auf und reagiert stärker auf Temperaturveränderungen als bei Pflanzen aus wärmeren Gebieten. Indem das Forschungsteam die Flexibilität von COP1 veränderte, konnte es auch beeinflussen, wie stark die Pflanzen auf Temperatur reagieren. Diese erkenntnisse könnten dazu beitragen, Kulturpflanzen an wärmere Bedingungen anzupassen.
Prof. Dr. Philip A. Wigge (IGZ), leitender Wissenschaftler der Studie sagt: „Temperatur ist molekulare Bewegung. Wie Proteine in einer Zelle diese Information wahrnehmen und weitergeben, war bislang ein Rätsel. Der Klimawandel wirkt sich weltweit zunehmend auf Pflanzen aus und beeinträchtigt bereits die Ernteerträge. Es ist wichtiger denn je, dass wir verstehen, wie zelluläre „Thermometer“ funktionieren.“
Prof. Dr. Laura Orellana (Karolinska-Institut), Mitautorin und Expertin für computergestützte Biologie und Proteinbiophysik, ergänzt: „Normalerweise untersuche ich, wie Mutationen die Bewegung und Funktion von Proteinen bei Krebserkrankungen beeinflussen, daher habe ich mich sehr darauf gefreut, an dieser Zusammenarbeit mitzuwirken. Mithilfe von Molekulardynamik-Simulationen auf Supercomputern konnten wir ‚sichtbar‘ machen, wie sich ein flexibler Teil von COP1 bei steigender Temperatur wegbewegt, wodurch das Protein an andere Proteine binden und diese zum Abbau markieren kann. Es ist faszinierend, dass dieselben physikalischen Prinzipien, die die Proteinfunktion in unseren Zellen bestimmen, auch erklären können, wie Pflanzen Temperatur wahrnehmen – ein Beispiel dafür, wie Forschung in einem Bereich unerwartet Aufschluss über einen anderen geben kann.“
Dr. Arun Sampathkumar (MPI-MP), Mitautor und Experte für Zellbiologie erklärt: „Die Zelle ist eine faszinierende Maschine. Mithilfe modernster Mikroskopieverfahren konnten wir direkt beobachten, wie das COP1-Protein als Reaktion auf warme Temperaturen seine Form verändern kann – ein echter molekularer Schalter!“
Die Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse darüber, wie Pflanzen Temperaturinformationen verarbeiten. Der untersuchte Mechanismus könnte als Ausgangspunkt dienen, um die Temperaturreaktionen bei Kulturpflanzen gezielt zu modifizieren. Es bleibt jedoch zu untersuchen, ob und wie dies angewendet werden kann.
(Leibniz-Institut für Gartenbauwissenschaften (IGZ) e. V., ehemals: Leibniz-Institut für Gemüse- und Zierpflanzenbau)
ORIGINALPUBLIKATION
Zeng, W., Lamelas, L., Scaramozzino, D., Chen, Z. A., Rappsilber, J., Xue, S., Jaeger, K. E., Orellana, L., Sampathkumar, A. and Wigge, P. A. (2026): COP1 is a temperature responsive switch in Arabidopsis. Cell. https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.10.036
