Dynamik der Auxinperzeption durch eine SCF-E3 Ubiquitinligase und ihre abzubauende Proteinsubstrate

• Antragstellerin: Dr. Luz Irina Calderón Villalobos
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 263922166

Ubiquitin-vermittelter Proteinabbau ist für Pflanzen von zentraler Bedeutung, da er rapide Änderungen der Genexpression und somit Anpassungsfähigkeit und Fitness ermöglicht. Pflanzen besitzen mehr als 1000 E3-Ligasen, die gezielt Proteine über deren Degron erkennen, ubiquitinieren und so dem proteasomalen Abbau zuführen. Bei der Auxin-Antwort werden transkriptionelle Repressoren der AUX/IAA Familie abgebaut. Dabei dienen kernlokalisierte E3 Ligasen vom SCF-Typ mit TIR1/AFB-Proteinen der Substraterkennung. Das Hormon Auxin verstärkt die Interaktion zwischen E3 Ligase und Degron. Es wird also von einem SCFTIR1/AFB-AUX/IAA-Korezeptor-System wahrgenommen. In pflanzlichen Zellen lösen lokale Auxin-Maxima verschiedene Wachstums- und Entwicklungsprozesse aus. Unserer Hypothese nach vermitteln nicht allein gewebespezifische Expressionsmuster unterschiedliche Auxin-Antworten, sondern auch Korezeptoren mit spezifischen Eigenschaften. Auch verschiedene Auxinkonzentrationen und auxinähnliche Verbindungen könnten durch spezifische Korezeptoren erkannt werden. In dieser Studie werden Auxin-Korezeptoren sowohl hinsichtlich ihrer biochemischen Eigenschaften als auch ihrer in vivo Dynamik, sowie die Struktur-Funktions-Beziehungen von AUX/IAAs charakterisiert. Mit 29 AUX/IAAs und 6 TIR1/AFBs in Arabidopsis sind zahlreiche Korezeptor Kombinationen denkbar. Wir konnten zeigen, dass sich in Hefe TIR1/AFB-AUX/IAA-Komplexe auxinabhängig mit unterschiedlicher Interaktionsstärke bilden. Für ausgewählte Korezeptoren konnte die Auxinbindung mit nanomolarer Affinität in vitro gezeigt werden. Doch woher stammen die Unterschiede der Korezeptoren? 18 leucine rich repeats der TIR1/AFBs bilden eine Solenoid-Struktur, auf deren Oberfläche sich die Auxin-Bindetasche befindet. Auf der TIR1-Struktur basierende Homologiemodelle der AFBs zeigen, dass AFB2 einen kürzeren und flexibleren Loop an der Auxin-Bindetasche aufweist. Daraus ergibt sich eine bessere Zugänglichkeit der Tasche für Auxin und AUX/IAA, die mit den beobachteten starken AFB2-Auxin-AUX/IAA-Interaktionen übereinstimmt. AUX/IAAs besitzen ein konserviertes Degron, das notwendig für die Destabilisierung von AUX/IAAs ist, aber auch Regionen außerhalb des konservierten Degrons scheinen die Korezeptor-Bildung und AUX/IAA-Stabilität zu beeinflussen. Erste Ergebnisse weisen darauf hin, dass ein variabler Bereich mit geladenen Resten in unmittelbarer C-terminaler Nachbarschaft zum Degron die auxinabhängige TIR1-AUX/IAA-Interaktion zusätzlich moduliert. Die biochemischen Eigenschaften beabsichtigen wir mit in vivo Stabilitätsanalysen von AUX/IAAs, sowie Studien an transgenen Linien, die AUX/IAAs in tir1/afb Mutanten überexprimieren, zu korrelieren, um die biologische Relevanz der charakterisierten Interaktionen zu untermauern. Die Auxin-Perzeption durch eine SCF-E3-Ligase ist exemplarisch für andere Phytohormone und möglicherweise werden noch weitere Signalwege in Pflanzen durch Liganden-regulierten Proteinabbau gesteuert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen