Ionen von Übergangsmetallen wie Kupfer oder Zink sind essentiell für alle Organismen, können jedoch wegen ihrer Reaktivität sehr leicht toxisch wirken. Aus Essentialität und potentieller Toxizität ergibt sich die Notwendigkeit, in Zellen und Geweben die Konzentrationen dieser Metallionen in einem sehr engen Rahmen zu kontrollieren. Aufnahme, Chelatierung und Speicherung müssen genau reguliert erfolgen. Nicht homöostatisch kontrolliert, sondern toleriert werden müssen Ionen nicht-essentieller toxischer Metalle wie Blei oder Cadmium, denen viele Organismen - nicht zuletzt aufgrund anthropogener Einflüsse - ausgesetzt sein können. Diese Arbeit hatte zum Ziel, an der Aufnahme, Detoxifizierung und Akkumulation von Metallen beteiligte Gene zu identifizieren und funktionell zu charakterisieren. Aufbauend auf der heterologen Expression von cDNAs in Saccharomyces cerevisiae konnte erstmals für einen pflanzlichen Transporter Cd2+-Aufnahmeaktivität gezeigt werden. LCT1 aus Triticum aestivum repräsentiert außerdem das erste molekular identifizierte pflanzliche Ca2+-Aufnahmesystem. Expressionsklonierung von Cadmium-Toleranzgenen in S. cerevisiae ermöglichte die Identifizierung einer neuartigen Genfamilie, die - wie eine Reihe funktioneller Studien gezeigt haben - für Phytochelatinsynthasen kodiert. Diese Enzyme katalysieren die Bildung von Phytochelatinen aus Glutathion. Phytochelatine sind kleine, metallbindende Peptide. Ihre Synthese ist essentiell für die Cadmium- und Arsen-Detoxifizierung in einer Reihe von Organismen. Verschiedene Phytochelatinsynthasen sind im Rahmen dieser Arbeit funktionell charakterisiert worden. Zudem wurden Studien zur Aktivierung dieser Enzyme durch Metallionen unternommen. Da Schizosaccharomyces pombe-Zellen - im Gegensatz zu S. cerevisiae-Zellen - Phytochelatine bilden, sind sie als Modellsystem für die Untersuchung der Beiträge anderer Prozesse zur Metallhomöostase in Phytochelatin-bildenden Zellen genutzt worden. Dies hat zu grundlegend neuen Einsichten zum Zink-Stoffwechsel und zu Mechanismen der Cadmium-Toxizität geführt. Um die molekulare Analyse der pflanzlichen Metalltoleranz und -akkumulation voranzubringen, ist der Metallophyt Arabidopsis halleri, ein Zn- und Cd-Hyperakkumulierer, der z.B. auf mittelalterlichen Halden im Harz vorkommt, als Modellsystem etabliert worden. Verschiedene Ansätze des "Expression Profiling" haben zur Identifizierung von potentiellen Metalltoleranz - und hyperakkumulationsfaktoren geführt.
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