Dynamische Transkriptionskontrolle: Energiemangel-induzierte Genregulation in Pflanzen

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Dröge-Laser
• Fachliche Zuordnung: Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 558006127

Die Aufrechterhaltung der Ressourcen- und Energiehomöostase ist für alle lebenden Organismen essenziell. In der Modellpflanze Arabidopsis orchestriert die evolutionär konservierte Kinase SnRK1 (SNF1-RELATED-PROTEIN KINASE1) eine transkriptionelle Reprogrammierung des Stoffwechsels als Reaktion auf ein metabolisches Ungleichgewicht. Unter Nutzung des ASN1/DIN6-Gens (ASPARAGINSYNTHETASE1/DARK-INDUCED6), eines prototypischen Markers für Energie- bzw. Ressourcenmangelsituationen, möchten wir metabolische Signale mit der Transkriptionskontrolle verknüpfen. Frühere Arbeiten haben einen zweiphasigen Aktivierungsmechanismus der ASN1-Transkription beschrieben, der durch mindestens zwei Signalereignisse gesteuert wird. Innerhalb weniger Minuten induzieren Stoffwechselveränderungen die Aktivität der SnRK1-Kinase im Zellkern, wodurch ein Transkriptionsfaktor (TF) der Gruppe C, bZIP63 (BASIC LEUCINE ZIPPER63) phosphoryliert wird, an den ASN1-Promotor bindet und die Transkription einleitet ("Initiationsphase"). In der zweiten Phase korreliert eine stark erhöhte ASN1 Transkription mit einer verstärkten Kerntranslokation von SnRK1-α-Untereinheiten, die die Expression des Gruppe S1 TFs bZIP1 verstärkt, einem Heterodimerisierungspartner von bZP63 ("Intensivierungsphase“). Nach Stand des Wissens, wird die Mangel-induzierte Transkription durch ein hochdynamisches TF-Netzwerk koordiniert, das weitere Negativ-Regulatoren einschließt, wie Mitglieder der DOF-Familie (DNA BINDING WITH ONE FINGER) und Gruppe G bZIP68. Anhand von ASN1 als prototypischem Genmodell wollen wir (1) das funktionelle Zusammenspiel, die Redundanz und die Dynamik von C/S1 bZIP Faktoren bei der Kontrolle der beiden Phasen der ASN1-Aktivierung analysieren, (2) die funktionellen und mechanistischen Auswirkungen von DOFs als Negativ-Regulatoren untersuchen und (3) charakterisieren, wie und unter welchen Bedingungen bZIP68 eine Funktion bei Transkriptionskontrolle unter Mangelbedingungen ausübt. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen werden wir (4) die Dynamik und die zeitlich aufgelöste Promotorbesetzung durch diese TFs beschreiben und (5) SnRK1α1 als TF-phosphorylierende Kinase und Akteur beim Chromatinumbau analysieren. Schließlich werden (6) genomweite Bindungsstudien ausgewählter TF sowie der SnRK1α1-Untereinheit einen generalisierenden Einblick auf die Energiemangel-induzierte Transkription ermöglichen. Zusammenfassend kann diese Studie als Blaupause für die bisher wenig erforschte Transkriptionsfaktordynamik in Pflanzen dienen, aber auch für die züchterische Verbesserung dieser essenziellen agronomischen Eigenschaft genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Christoph Weiste