Die präzise Herstellung von Proteinen gilt als zentrale Voraussetzung für das Funktionieren von Zellen. Ein Team um die LMU-Biologen Professor Hans-Henning Kunz und Dr. Benjamin Brandt hat nun jedoch erstmals gezeigt, dass Pflanzen deutlich robuster mit Übersetzungsfehlern bei der Proteinherstellung umgehen können als bisher studierte Organismen. Am Modellorganismus Arabidopsis thaliana konnten die Forschenden nachweisen, dass Mitochondrien und Chloroplasten – die Zellorganellen, die für Energiehaushalt und Photosynthese essenziell sind – selbst hohe Fehlerraten kompensieren können und dabei unterschiedlich auf Übersetzungsfehler reagieren.
Für ihre Studie etablierten die Forschenden Pflanzen, bei denen die Proteinsynthese ausschließlich in den Organellen eine erhöhte Fehleranfälligkeit aufweist. Dies erreichten sie mithilfe veränderter Transfer-RNAs, die vermehrt „falsche“ Aminosäuren in Proteine einbauen – ein Prozess, der als Mistranslation bezeichnet wird. „So konnten wir erstmals systematisch beobachten, wie Organellen mit Fehlern umgehen“, erklärt Dr. Benjamin Brandt, der Erstautor der Studie.
Unterschiedliche Reaktion bei Chloroplasten und Mitochondrien
Ihre Ergebnisse zeigten, dass die beiden Organelltypen erstaunlich unterschiedlich reagieren: Mitochondrien begrenzen solche Defekte stark, indem sie fehlerhafte tRNAs erkennen und zurückweisen. Chloroplasten dagegen tolerieren einige der höchsten bislang in Organismen gemessenen Raten bestimmter Fehlübersetzungen. Gleichzeitig verfügen sie über effektive Kompensationsmechanismen, um ihre Funktion trotz fehlerhafter Proteine aufrechtzuerhalten.
Darüber hinaus beobachteten die Forschenden, dass ähnliche Fehler auch in unveränderten Pflanzen auftreten, wenn diese sich an Temperaturstress anpassen. Dies könnte nach Ansicht der Autoren nahelegen, dass Mistranslation nicht nur ein zufälliger Defekt ist, sondern möglicherweise Teil einer natürlichen Stressantwort von Pflanzen. Ein Vergleich mit Bakterien liefert zusätzliche Hinweise: Von diesen Mikroorganismen ist bekannt, dass kontrollierte Mistranslation unter Stress – etwa bei Hitze – die Überlebensfähigkeit erhöhen kann.
Die neuen Erkenntnisse liefern nun erstmals eine Grundlage, um zu prüfen, ob Pflanzen ähnliche Strategien nutzen. „Langfristig könnte dieses Wissen helfen, neue Ansätze zur Züchtung oder Entwicklung robusterer Nutzpflanzen zu finden, die besser mit Hitze, Kälte oder anderen Stressbedingungen umgehen können“, sagt Kunz.
LMU München
Originalpublikation:
B. Brandt,S. Schwartz,S. Schwenkert,M. Krämer,K. Om,C. Engstler,A. Klingl,P. Jahns,E.H. Meyer,R.A. DeTar,J. Eirich,I. Finkemeier,A.B. Cousins, & H. Kunz, Plants tolerate substantial rates of plastid mistranslation via regulated proteostasis, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 123 (22) e2537357123, https://doi.org/10.1073/pnas.2537357123 (2026).
