Post-translational regulation in the Arabidopsis bZIP factor-controlled gene expression and protein-protein interaction network
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die post-translationale Regulation pflanzlicher Transkriptionsfaktoren, die in abiotische Stressreaktionen durch Umprogrammierung metabolischer Prozesse eingebunden sind, ist in Pflanzen erst in Ansätzen verstanden. Wir konnten besonders an einem Arabidopsis bZIP-Faktor (bZIP63) herausarbeiten, dass bZIP63 zusammen mit Vertretern der S1-bZIP Subfamilie durch Regulation metabolischer Enzyme an der Umsteuerung zentraler Stoffwechselvorgängen während verschiedener abiotischer Stressreaktionen beteiligt ist (z.B. „Low energy“ Reaktion, Samenentwicklung und –keimung unter osmotischem Stress). bZIP63 unterliegt dabei einer komplexen post-translationalen Regulation, die multiple Phosphorylierungen und Interaktion mit Nicht-bZIP Transkriptionsfaktoren einschließt. Die in vitro und in vivo identifizierten Phosphorylierungen finden sich über das gesamte bZIP63-Protein verteilt und haben dabei unterschiedliche regulatorische Funktionen: Die Modifikation eines N-terminalen Serins sowie zweier C-terminalen Serine durch die „low energy-regulated“ SnRK1 beeinflusst die Stabilität von bZIP63/S1-bZIP Proteinkomplexen. Die Phosphorylierung von Serinen in der DNA-Bindedomäne von bZIP63 durch die Ca2+- abhängige CPK3 verhindert die Assoziation mit den spezifischen cis-regulatorischen Elementen in den Zielgenen der bZIP63/S1-bZIP Komplexe. Des Weiteren lässt sich die transkriptionelle Aktivität von bZIP63 durch Wechselwirkung mit dem B-Typ Responseregulator ARR18 negativ modulieren. Unsere Ergebnisse lassen eine sehr komplexe, multifaktorielle, post-translationale Regulation von zentralen Transkriptionsfaktoren erkennen, die an der Umprogrammierung pflanzlicher Stoffwechselwege während der abiotischen Stressabwehr beteiligt sind. Wie diese Mechanismen in der Pflanze quantitativ ineinander greifen, ist wenig verstanden und bedarf weiterer Forschungsbemühungen. Ein Verständnis dieser Regulationsprinzipien und –netzwerke und ihrer metabolischen Konsequenzen ist jedoch nicht nur von grundlagenwissenschaftlichem Interesse sondern eine Voraussetzung für die Züchtung von Nutzpflanzen, die mit den entsprechenden abiotischen Stressbedingungen adäquat umgehen können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2008). Posttranslational regulation of plant bZIP factors. Trends Plant Sci 13, 247-255
chütze K, Harter K, Chaban C
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(2009). Bimolecular fluorescence complementation (BiFC): A novel tool to study protein-protein interactions in living plant cells. Meth Mol Biol 479, 189-202
Schütze K, Harter K, Chaban C
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(2009). Expression patterns within the Arabidopsis C/S1 bZIP transcription factor network: availability of heterodimerization partners controls gene expression during stress response and development. Plant Mol Biol 69, 107-19
Weltmeier F, Rahmani F, Ehlert A, Dietrich K, Schütze K, Wang X, Chaban C, Hanson J, Teige M, Harter K, Vicente-Carbajosa J, Smeekens S, Dröge-Laser W
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(2010). DPI-ELISA: a fast and versatile method to specify the binding of plant transcription factors to DNA in vitro. Plant Methods 6: e25
Brand LH, Kirchler T, Hummel S, Chaban C, Wanke D
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(2010). The role of phosphorylatable serine residues in the DNA-binding domain of Arabidopsis bZIP transcription factors. Eur J Cell Biol 89, 175-183
Kirchler T, Briesemeister S, Singer M, Schütze K, Kohlbacher O, Vicente-Carbajosa J, Teige M, Harter K, Chaban C
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(2011). Heterodimers of the Arabidopsis transcription factors bZIP1 and bZIP53 reprogram amino acid metabolism during low energy stress. Plant Cell 23: 381-395
Dietrich K, Weltmeier F, Ehlert A, Weiste C, Stahl M, Harter K, Dröge-Laser W
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(2012) Bioinformatic cis-element analyses performed in Arabidopsis and rice disclose bZIP- and MYB-related binding sites as potential AuxRE-coupling elements in auxin-mediated transcription. BMC Plant Biology 12: e125
Berendzen KW, Weiste C, Wanke D, Kilian J, Harter K, Dröge-Laser W
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(2014). The type-B response regulator ARR18 mediates osmotic stress responses through direct interaction with bZIP transcription factors. Mol Plant: 7: 1560-1577
Veerabagu M, Kirchler T, Haible K, Elgass K, Harter K, Mira-Rodado V, Chaban C
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(2015) SnRKI-triggered switch of bZIP63 dimerization mediates the low-energy response in plants. eLife 4: e05828
Mair A, Pedrotti L, Wurzinger, B, Anrather D, Simeunovic A, Weiste C, Valerio C, Dietrich K, Kirchler T, Nägele T, Vicente Carbajosa J, Hanson J, Baena-Gonzalez E, Chaban C, Weckwerth W, Dröge-Laser W, Teige M
