“MADS life on MAdLand II”: Veränderungen in der DNA-Bindespezifität von MADS-Domänen-Transkriptionsfaktoren beim Landgang der Pflanzen

• Antragsteller: Professor Dr. Günter Theißen
• Fachliche Zuordnung: Evolution und Systematik der Pflanzen und Pilze ; Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 440291575

Das übergeordnete Ziel unserer Projekte in beiden Phasen von MAdLand ist es, die Rolle von MIKC-Typ MADS-Domänen-Transkriptionsfaktoren (MTFs) während des Landgangs der Pflanzen zu untersuchen. MTFs bilden tetramere Proteine-Komplexe, die als Florale Quartett-ähnliche Komplexe (FQCs) bezeichnet werden und die wichtige Entwicklungsprozesse in Landpflanzen steuern. Das hohe kombinatorische Potenzial und die kooperative DNA-Bindung von FQCs ermöglicht eine besonders effiziente und spezifische Kontrolle der Zielgenaktivität. Dieses Merkmal von FQCs ist wahrscheinlich ursächlich mit dem evolutionären Ursprung komplexer Neuerungen bei Landpflanzen verbunden und daher von großem biologischen Interesse. MTFs sind in der Stammgruppe rezenter Streptophyten entstanden, die alle Landpflanzen und ihre nächsten Verwandten (Charophytenalgen) umfassen. Während der ersten Phase von MAdLand haben wir gezeigt, dass in der Stammgruppe rezenter Landpflanzen wichtige Veränderungen innerhalb der Protein-Protein-Interaktionsdomäne von MTFs auftraten. Diese Veränderungen folgten einer Genduplikation, die zu zwei Unterfamilien von MTFs führte, die als MIKCC- und MIKC*-Typ-Proteine bezeichnet werden. MIKCC- und MIKC*-Typ-Proteine sind Hauptbestandteile von zwei weitgehend unabhängigen genregulatorischen Netzwerken, die wichtige Aspekte der Sporophyten- bzw. Gametophyten-Entwicklung in Landpflanzen steuern. In der zweiten Phase von MAdLand wollen wir die biologische Relevanz der FQC-Bildung des einzigen MIKCC-Typ-Proteins MpMADS2 im Lebermoos M. polymorpha untersuchen, um nachzuvollziehen, welchen funktionellen „Gewinn“ die Fähigkeit zur FQC-Bildung während des Landgangs der Pflanzen gebracht hat. Dafür werden wir MpMADS2-Mutanten untersuchen, die nicht zur FQC-Bildung in der Lage sind und die wir bereits im Rahmen der ersten Phase von MAdLand erzeugt haben. Darüber hinaus wollen wir den Einfluss der FQC-Bildung auf die genomweite DNA-Bindung von MTFs für ausgewählte Charophytenarten untersuchen. Dies wird auch wertvolle Einblicke in potenzielle Zielgene von MIKC-Typ-Proteinen in Charophyten liefern, für die bisher keine solchen Daten verfügbar sind. Darüber hinaus wollen wir unsere Erkenntnisse über die Evolution der Protein-Protein-Interaktionsdomäne ergänzen, indem wir wesentliche evolutionäre Veränderungen innerhalb der DNA-bindenden MADS-Domäne von MTFs untersuchen. Vorläufige Daten deuten darauf hin, dass anzestrale MTFs, die vor dem Landgang der Pflanzen existierten, ein breiteres Spektrum an DNA-Bindestellen erkannten als Proteine vom MIKCC- und MIKC*-Typ. In unserem Projekt wollen wir ermitteln, welche Mutationen innerhalb der MADS-Domäne diese Veränderungen in der DNA-Erkennung bewirkt haben und verstehen, welche Folgen die veränderte Erkennung von DNA-Bindestellen für die Aktivität von Zielgenen hat.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2237: MAdLand - Molekulare Adaptation an das Land: Evolutionäre Anpassung der Pflanzen an Veränderung
• Mitverantwortliche: Dr. Lydia Gramzow; Dr. Florian Rümpler