The Arabidopsis C/S1 bacic leucine Zipper transcription factor network:Impact of heterodimer formation on target gene transcription
Das Netzwerk der Gruppe C/S1 bZIP Transkriptionsfaktoren aus Arabidopsis: Einfluss der Heterodimerisierung auf die Transkription der Zielgene
von Andrea Ehlert
Datum der mündl. Prüfung:2010-01-20
Erschienen:2011-01-14
Betreuer:Prof. Dr. Wolfgang Dröge-Laser
Gutachter:Prof. Dr. Wolfgang Dröge-Laser
Gutachter:Prof. Dr. Christiane Gatz
Gutachter:Prof. Dr. Ernst A. Wimmer
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Format:PDF
Description:Dissertation
Zusammenfassung
Englisch
Heterodimerisation of basic leucine zipper (bZIP) transcription factors (TFs) is proposed to play a crucial role in regulation of gene expression. To analyse bZIP heterodimerisation of Arabidopsis thaliana (At) bZIPs, a Gateway®-based two-hybrid system in plant protoplasts has been established and obtained data has been compared to results of the classical Y2H approach (EHLERT et al., 2006). Specific high-affinity heterodimerisation could be observed between nine bZIP members of the Arabidopsis thaliana group C and S1 bZIP TF indicating a functional connection and it is therefore, these bZIPs are called the C/S1 bZIP network. Heterodimerisation should be limited by abundance of the protein partners. Accordingly, using bZIPpromoter:GUS lines, the different bZIPs shows partly overlapping and distinct expression patterns (WELTMEIER et al., 2009). The functional impact of bZIP heterodimerisation has been demonstrated for the ProDH gene encoding Proline Dehydrogenase a central enzyme in proline degradation during rehydration after recovery from osmotic stress. ProDH is a direct target gene of the group S1 bZIP transcription factor AtbZIP53. Dimerisation studies show a synergistic enhancement of target gene activation with the group C member AtbZIP10. This heterodimer induced transactivation is independent of the DNA binding activity mediated by the basic domain and appears to be a crucial mechanism to modulate transcription factor activity (WELTMEIER et al., 2006). Furthermore, low energy stress administered by extended darkness leads to activation of AtbZIP1 and AtbZIP53, which by heterodimerisation regulate several genes in amino acid metabolism (DIETRICH et al., unpublished). In addition, an influence on the transcription of maturation (MAT) genes could be shown for AtbZIP53. Heterodimerisation was demonstrated to enhance bZIP protein stability, DNA binding to a G-box element and activation of MAT promoters. Thus target gene activation strongly correlates with the ratio of the correspondent bZIP heterodimerisation partners AtbZIP10 and AtbZIP25. Interestingly AtbZIP53 is not able to directly interact with ABI3, a crucial transcriptional regulator in Arabidopsis seeds. Furthermore we had the possibility to show that the AtbZIP53/10 heterodimer can form a ternary complex with ABI3 and activate the expression of MAT genes in plants in comparison to the AtbZIP53/10 heterodimer itself (ALONSO et al., 2009). To decipher the complex network of different bZIP heterodimers, which can bind and regulate particular sub-sets of target genes, Arabidopsis mesophyll protoplasts were transformed with plasmid DNA encoding the group C transcription factor AtbZIP10, the group S1 AtbZIP11, or both. Global gene expression analysis revealed that co-expression of AtbZIP11 and AtbZIP10 results in substantial differences in up-regulated gene sets if compared to single bZIP expression. Altogether these data provide conclusive evidence that bZIP heterodimerisation acts as an efficient mechanism to control target gene expression in plants (HANSSEN et al., unpublished).
Keywords: Arabidopsis thaliana AtbZIP bZIP- transcriptionfactor C/S1 heterodimer maturation MAT genes ABI3 amino acid metabolism low energy stress ProDH osmotic stress
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Die Heterodimerisierung der basic leucine zipper (bZIP) Transkriptionsfaktoren (TFs) spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Genexpression. Zur Analyse der Heterodimerisierung der Arabidopsis thaliana (At) bZIP-Faktoren wurde ein Gateway® basierendes two-hybrid System in pflanzlichen Protoplasten etabliert und mit den Daten aus dem klassischen Hefe two-hybrid (Y2H) verglichen (EHLERT et al., 2006). Die sehr spezifische Heterodimerisierung zwischen den neun Mitgliedern der Gruppe C und S1 bZIPs aus Arabidopsis thaliana spricht für eine funktionelle Bedeutung dieser, als C/S1 bZIP Netzwerk bezeichneten TF. Die Bildung von Heterodimeren ist durch die Menge der Proteinpartner limitiert. Mit Hilfe von bZIP-Promotor:GUS Linien konnte gezeigt werden, dass C/S1-Faktoren teilweise überlappende und distinkte Expressionsmuster aufweisen (WELTMEIER et al., 2009). Der Einfluss der Heterodimerisierung auf die bZIP- Funktionen konnte für die Expression des ProDH Gens, welches die Proline Dehydrogenase kodiert, gezeigt werden. Dieses ist ein zentrales Enzym in der Prolin- Degradierung während der Rehydrierung nach osmotischem Stress. Die ProDH ist ein direktes Zielgen des Gruppe S1 bZIP TF AtbZIP53. In den Dimerisierungsstudien wurde eine synergistische Erhöhung der Aktivität des Zielgens mit Hilfe des Gruppe C-Faktors AtbZIP10 gezeigt. Dieses Heterodimer-induzierte Transaktivierung ist unabhängig von der, durch die basische Domäne vermittelte DNA-Bindung und stellt einen wichtigen Mechanismus zur Modellierung der Transkriptionsfaktoren dar (WELTMEIER et al., 2006). Stress durch Energie- Verarmung welcher durch ausgedehnte Dunkelheit ausgelöst wird, beeinflusst die Aktivität der Gruppe S1- Faktoren AtbZIP1 und AtbZIP53 die durch Heterodimerisierung verschiedene Gene des Aminosäure Metabolismus regulieren (DIETRICH et al., eingereicht). Des Weiteren beeinflusst AtbZIP53 die Transkription von Genen der Samenreifung (maturation MAT). Es konnte gezeigt werden, dass Heterodimerisierung die Proteinstabilität und die DNA- Bindung an ein G-Box-Element erhöht und die Aktivität der Mat-Promotoren steigert. Diese Zielgenaktivierung ist stark abhängig von der Menge des entsprechenden bZIP Heterodimerisierungspartners AtbZIP10 und AtbZIP25. Interessanterweise ist AtbZIP53 nicht fähig zur direkten Interaktion mit ABI3, einem wichtigen transkriptionellen Regulator in Arabidopsis Samen. Wir konnten aber zeigen, dass das AtbZIP53/10 Heterodimer einen Komplex mit ABI3 bildet und dadurch die Expression der MAT-Gene in Pflanzen erhöht (ALONSO et al., 2009). Zum Entschlüsseln des komplexen Netzwerkes der verschiedenen bZIP Heterodimere wurden Arabidopsis Mesophyll-Protoplasten mit Plasmid DNA transformiert, welche für den Gruppe C-Faktor AtbZIP10, den Gruppe S1-Faktor AtbZIP11 oder beide kodierten. Durch eine Transkriptomanalyse konnten bemerkenswerte Unterschiede nach Co-Expression von AtbZIP11/10 bzw. der Expression einzelner Effektoren auf die induzierten Gene gezeigt werden. Zusammenfassend belegen diese Daten, dass bZIP-Heterodimerisierung ein effektiver Mechanismus zur Kontrolle der Zielgenexpression in Pflanzen darstellt (HANSSEN et al., unpublished).
Schlagwörter: Arabidopsis Thaliana AtbZIP bZIP- Transkriptionsfaktor C/S1 Heterodimer Samenreifung MAT-Gene ABI3 Aminosäure Metabolismus Energie-Verarmung ProDH osmotischer Stress