Die Rolle der beiden Transkriptionsfaktoren AtbZIP1 und AtbZIP53 aus Arabidopsis thaliana in der Anpassung des pflanzlichen Metabolismus an Energiemangelbedingungen

Abstract

Energiemangelbedingungen, wie sie während langanhaltender Dunkelheit auftreten, führen zu einer massiven Umprogrammierung des pflanzlichen Metabolismus. Dies hat den Abbau von Proteinen, Aminosäuren und Nukleinsäuren sowie die Hydrolyse von Polysacchariden und Oxidation von Fettsäuren zur Folge, die unter diesen Bedingungen als alternative Energiequellen genutzt werden. Zentrale Regulatoren dieser pflanzlichen Anpassung an Energiemangel sind die SnRK1 (Snf1 RELATED KINASES) Kinasen KIN10 und KIN11. In dieser Arbeit werden die beiden bZIP (basic leucine zipper) Transkriptionsfaktoren (TF) AtbZIP1 und AtbZIP53 identifiziert, die ein Teil dieses SnRK1 Signalweges sind. Besonders AtbZIP1, aber auch AtbZIP53, werden sowohl transkriptionell als auch posttranskriptionell durch Energiemangel aktiviert. Die Überexpression von AtbZIP1 und AtbZIP53 führt zu einem verfrühten Eintritt in die dunkelinduzierte Seneszenz. Unter diesen Bedingungen kommt es in den Überexpremierern zu einem verstärkten Abbau von Aminosäuren wie Prolin, Leucin, Isoleucin und Valin. Die Aminosäure Asparagin, die als Transportform für Kohlenstoff und Stickstoff unter Mangelbedingungen dient, wird dagegen in AtbZIP53 Überexpremierern verstärkt gebildet. Dagegen werden in den AtbZIP53 Überexpressionspflanzen die Stärke- und Saccharosereserven trotz Energiemangel nur begrenzt als Energiequelle genutzt. Die Unterschiede in den Metaboliten des Primärstoffwechsels zwischen Überexpremierern und Wildtyp kommen durch eine veränderte Genexpression zustande. Gene wie PROLIN DEHYDROGENASE (ProDH) und BRANCHED CHAIN AMINO ACID TRANSAMINASE 2 (BCAT2), deren Genprodukte zum Abbau von Aminosäuren führen, werden in beiden Überexpremierern ebenso transkriptionell aktiviert wie die ASPARAGIN SYNTHETASE 1 (ASN1) und andere Gene der Asparagin Biosynthese. Gene, die für Enzyme des Lipidabbaus wie verschiedene Lipasen und Lipoxygenasen codieren, werden in beiden Überexpremierern aktiviert, während die Genexpression stärkeabbauender Enzyme wie der ß-AMYLASE5 (BAM5), vor allem in den AtbZIP53 Überexpremierern stark reduziert ist. ChIP (Chromatin Immunopräzipitation) Analysen belegen eine direkte Bindung von AtbZIP1 und AtbZIP53 an die Promotoren von ProDH und ASN1. In Experimenten mit Promotormutanten konnte zudem gezeigt werden, dass typische bZIP-Bindestellen wie eine G-Box im ASN1 Promotor und zwei ACTCAT Motive im ProDH Promotor essentiell für die Induktion dieser Gene unter Energiemangelbedingungen sind. Da die bZIP TF teilweise redundante Funktionen übernehmen, zeigen "loss-of-function"-Ansätze mit Einzelmutanten von AtbZIP1 und AtbZIP53 oder der Doppelmutante atbzip1 atbzip53 in der Expression ihrer Zielgene nur geringe Unterschiede zum Wildtyp. Vierfachmutanten von AtbZIP1 und AtbZIP53 mit je zwei der vier heterodimerisierenden Gruppe C Faktoren führen dagegen zu einer deutlichen Reduktion der dunkelinduzierten Expression von ProDH, BCAT2 und ASN1. Versuche zur Energieverarmung im Protoplastensystem zeigen deutlich den Einfluss der Kinasen KIN10 und KIN11 auf die Expression von ASN1 und ProDH. Co-Expression der Kinasen mit AtbZIP1 und AtbZIP53 hat einen synergistischen Effekt auf die Aktivierung der beiden Gene, was zeigt, dass AtbZIP1 und AtbZIP53 Teil des kinaseabhängigen Signalweges zur Aktivierung von ASN1 und ProDH unter Energiemangelbedingungen sind. Durch Mutation putativer SnRK1-Phosphorylierungsmotive in der Aminosäuresequenz von AtbZIP1 und AtbZIP53 kann aber eine Aktivierung durch eine direkte Phosphorylierung an diesen Motiven ausgeschlossen werden. Die Mutation von in vivo phosphorylierten Serinen ihres Heterodimerisierungspartners AtbZIP63 führt allerdings zu einer deutlichen Reduktion der KIN10 vermittelten ProDH-Aktivierung. Es wird deshalb postuliert, dass die SnRK1-Kinasen Heterodimere des C/S1-Netzwerks posttranslational aktivieren und so zur Änderung der Genexpression und damit zur Umprogrammierung des Metabolismus unter Energiemangelbedingungen beitragen.