Ein Netzwerk von heterodimerisierenden C/S1 AtbZIP-Transkriptionsfaktoren und seine Funktion in Seneszenz, Stressantwort und Samenentwicklung

Abstract

Transkriptionsfaktoren der bZIP (basic region leucine zipper) Familie kommen in allen bisher analysierten eukaryotischen Organismen vor. Eine besondere Eigenschaft von Transkriptionsfaktoren dieser Gruppe ist, dass sie als Dimere an DNA binden, wobei einige bZIP-Transkriptionsfaktoren spezifische Heterodimere mit anderen bZIP-Transkriptionsfaktoren bilden können. Im Rahmen dieser Dissertation konnte gezeigt werden, dass in dem Modellorganismus Arabidopsis thaliana die bZIP-Transkriptionsfaktoren der Gruppe C (AtbZIP9, 10, 25 und 63) mit den bZIP-Faktoren der Gruppe S1 (AtbZIP1, 2, 11, 44 und 53) spezifische Heterodimere formen. Um die Funktion dieses Heterodimerisierungsnetzwerkes zu verstehen, wurden die Expressionsmuster der AtbZIP-Transkriptionsfaktoren mit Hilfe von Promotor-GUS Fusion, Northern Analysen und Daten aus Mikroarray-Datenbanken analysiert. Dabei zeigte sich, dass die Expression der AtbZIP-Gene vor allem durch die Zucker Glukose und Saccharose und durch Seneszenz, aber auch durch Stresse wie Osmolarität oder Salzstress reguliert wird. Zusätzlich fanden sich Gewebe-spezifische Expressionsmuster, z.B. in den Pollen oder Samen. Für die funktionelle Charakterisierung der bZIP-Transkriptionsfaktoren wurden Überexpressions-Pflanzen und T-DNA Insertionsmutanten erzeugt. Durch Transkriptomanalysen dieser Pflanzen mit Hilfe von Mikroarrays wurden mögliche Zielgene von AtbZIP1 und AtbZIP53 identifiziert. Ektopische Überexpression von AtbZIP1 oder AtbZIP53 (35S:AtbZIP1 und 35S:AtbZIP53) führte zur Aktivierung von Samenspeicherprotein-Genen, Pollenspezifischen Genen sowie Seneszenz-assoziierten Genen. Unter diesen Genen waren vermehrt Gene des Aminosäure-Metabolismus, und für zwei von ihnen, ein Prolin- Dehydrogenase Gen (ProDH) und ein Asparagin Synthetase Gen (ASN1), wurde mittels Chromatin-Immunopräzipitation (ChIP) gezeigt, dass es sich um direkte Zielgene von AtbZIP53 handelt. Für die ProDH konnte in transienten Protoplasten-Assays gezeigt werden, dass AtbZIP53 alleine in der Lage ist den Promotor zu aktivieren, dass jedoch eine Koexpression mit Gruppe C Faktoren zu einer weiter verstärkten Aktivierung führt, was die Bedeutung der Heterodimerisierung in Pflanzen belegt. In einer phänotypischen Charakterisierung zeigten 35S:AtbZIP53 Pflanzen eine erhöhte Salzresistenz. Zudem konnte gezeigt werden, dass AtbZIP53 die Expression von Genen der Samenreifung vermittelt. Während dieser Phase bilden die Samen ihre Austrocknungstoleranz aus, ein Prozess der Parallelen zur Ausbildung von Salzresistenz zeigt. Für 35S:AtbZIP1 Pflanzen konnte ein früheres Eintreten in eine Dunkel-induzierte Seneszenz gezeigt werden, das sich wahrscheinlich auf die in diesen Pflanzen verstärkt exprimierten Seneszenz-assoziierten Gene zurückführen lässt. Die in dieser Arbeit gezeigte deutliche Repression von AtbZIP1 durch Zucker hat wahrscheinlich die Funktion, das Einsetzen der Dunkel-induzierten Seneszenz zu verhindern, solange die Zellen noch über ausreichende Energie-Reserven verfügen.Da AtbZIP-Transkriptionsfaktoren der Gruppen C und S1 stark durch Zucker, aber auch durch Stresse und entwicklungsbiologische Signale reguliert werden, und die Mehrheit der identifizierten putativen Zielgene Enzyme des Metabolismus kodieren, wird die Hypothese aufgestellt, dass C/S1 Heterodimere eine komplexe, auf der einen Seite von der Verfügbarkeit von Zuckern, auf der anderen Seite von Stressen und entwicklungsbiologischen Signalen abhängige Regulation des Metabolismus vermitteln.