Viren lösen tödliche Pandemien aus und vernichten jedes Jahr Ernten im Wert von Milliarden Euro. Wenn Pflanzenzellen von Viren angegriffen werden, stehen sie vor einem Dilemma: Sie müssen stark genug darauf reagieren, um die Infektion einzudämmen, aber nicht so stark, dass die Immunreaktion selbst Schaden verursacht. Eine neue Studie im Fachjournal Science, die von Marion Clavel in der Gruppe von Yasin Dagdas am GMI – Gregor-Mendel-Institut für Molekulare Pflanzenbiologie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Heidelberg geleitet wurde, zeigt, dass die Autophagie – das Reinigungs- und Recyclingsystem der Zelle – Pflanzenzellen dabei hilft, dieses Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, und den Zellen Zeit verschafft, um Schäden zu reparieren.

Der Kampf gegen die Belagerung von innen

Viele der schädlichsten Viren gehören zur Klasse der sogenannten positivsträngigen einzelsträngigen RNA-Viren (+ssRNA) – eine Gruppe, zu der tödliche Pflanzenpathogene ebenso zählen wie das für die COVID-19-Pandemie verantwortliche SARS-CoV-2. Um mehr Kopien von sich selbst zu erstellen, nutzen diese Viren die Membranen im Inneren der Wirtszelle. Die Viren bauen diese Membranen um und schaffen sich so optimale Nischen für die Produktion weiterer Viruskopien.

In ihrer neuen Studie untersuchten Yasin Dagdas, ehemals am GMI der ÖAW und jetzt an der Universität Heidelberg, und sein Team, darunter die Erst- und Korrespondenzautorin Marion Clavel, heute Gruppenleiterin am Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie, die Funktion der Autophagie während eines Virusangriffs. Bisher war zwar bekannt, dass Autophagie bei Pflanzen eine Rolle in der Abwehr von Virusinfektionen spielt, doch wie genau dies geschieht, war weitgehend unklar.

Die Forscher:innen untersuchten zunächst Pflanzen, bei denen die Autophagie gestört war, und stellten fest, dass diese Pflanzen anfälliger für Angriffe durch +ssRNA-Viren sind. Unerwarteterweise verschlingt die Autophagie die Viren jedoch nicht einfach: Genaue Analysen zeigten, dass Pflanzen mit gestörter Autophagie nicht von Viren oder Viruspartikeln überrannt werden. Stattdessen reagiert die Autophagie auf die Schäden, die Viren im Inneren der Zellen verursachen.

Autophagie zur Hilfe: Enzyme dienen als Notbremse

Wenn Viren Organellen wie die energieproduzierenden Mitochondrien umbauen, werden diese stark verformt, erklärt Dagdas. „Die Mitochondrien sind sichtlich unglücklich, sie weisen Membrandefekte auf und verändern ihre Form; dieser zelluläre Stress schaltet die selektive Autophagie ein.“ Während der selektiven Autophagie binden Rezeptoren nur an bestimmte zelluläre Komponenten – die Fracht –, die dann aufgenommen und zum Abbau weitergeleitet werden. Dagdas und sein Team suchten daher nach Rezeptoren, die an die beschädigten Mitochondrien binden. „Überraschenderweise stellten wir stattdessen fest, dass zwei Enzyme im Zytosol der Zelle mit der Fracht und dem Autophagie-Apparat interagieren“, berichtet Dagdas.

Unter normalen Bedingungen bilden diese beiden Enzyme – NIT1 und IMPDH – lange, filamentartige Strukturen. Bei einer Virusinfektion brechen die Organellen jedoch auf und ihr Inhalt strömt ins Zytosol, daraufhin zerfallen die beiden Enzyme in ihre einzelnen Einheiten. In diesem veränderten Zustand interagieren sie sowohl mit Proteinen, die den Zelltod regulieren, als auch mit der Autophagie-Maschinerie. So leiten sie schließlich die zelltodauslösenden Proteine zum Abbau weiter. Indem sie das Gleichgewicht zwischen Filamenten und einzelnen Einheiten verändert, kann die Pflanze steuern, wie viele zelltodauslösende Proteine abgebaut werden.

Wenn ein Pathogen attackiert, muss die Zelle mit einer Immunantwort reagieren. Da die Immunantwort jedoch zum Zelltod führt, muss die Zelle ihre Immunaktivität sorgfältig steuern. Der entdeckte Autophagie-Signalweg bietet die notwendige Bremse: er fungiert als Steuerelement, um das Ausmaß der Immunantwort zu regulieren. „Wenn Zellen bei einem Virusbefall zu schnell absterben, stirbt die Pflanze rasch aufgrund einer systemischen Nekrose“, erklärt Dagdas. „Autophagie verhindert, dass Pflanzenzellen zu schnell sterben, verschafft ihnen Zeit, um mit der Virusinfektion fertig zu werden, und verbessert die Überlebenschancen der Pflanze. Zu viel oder zu wenig Immunaktivität ist schlecht – man braucht eine optimale Immunantwort“, sagt Dagdas. Beim Menschen führt eine überaktive Immunantwort zu Autoimmunerkrankungen. „Selektive Autophagie dämpft diesen überschießenden Immunmechanismus, sodass Pflanzenzellen Infektionen besser bekämpfen können.“