Universität zu Köln

Untersuchung der TALE-Homöodomänen-Proteine in Arabidopsis thaliana. Identifizierung und Charakterisierung von Komponenten des TALE-Interaktions-Netzwerkes

Hackbusch, Jana (2004) Untersuchung der TALE-Homöodomänen-Proteine in Arabidopsis thaliana. Identifizierung und Charakterisierung von Komponenten des TALE-Interaktions-Netzwerkes. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Die Homöodomänen-Proteine stellen eine Gruppe von Transkriptionsfaktoren dar, die eine zentrale Rolle in den Entwicklungs-Prozessen aller mehrzelliger Organismen spielt. Die TALE-Superfamilie der Homöodomänen-Proteine wird in Pflanzen von den Familien der BEL- und der KNOX-Gene kodiert. Über die Funktion der pflanzlichen TALE-Proteine ist bisher wenig bekannt. In dieser Arbeit wurde in dem Modellorganismus Arabidopsis thaliana die TALE-Superfamilie als Ganzes betrachtet und mittels genetischer, molekular- und zell-biologischer Ansätze ein gemeinsamer Regulationsmechanismus gefunden. Es wurden Mangelmutanten aller BEL-Gene mit Hilfe der RNAi-Technik hergestellt sowie T-DNA-Insertionslinien einiger BEL-Gene charakterisiert. Ferner wurden die Auswirkungen einer Überexpression dieser Gene unter Kontrolle des ubiquitären CaMV35S-Promotors untersucht. Mittels der RNAi-Technik konnte der bereits früher veröffentlichte bel1-Phänotyp erzeugt werden, der eine Missbildung der Ovulen verursacht. Eine Störung der BLH9-Expression durch RNAi führte in den Pflanzen zu einer veränderten Phyllotaxis. Die Überexpression des ATH1-Gens beeinflusste das Streckungswachstum des Stängels, während die Überexpression von BLH4 zur Bildung steriler Blüten führte. Die BEL-Gene scheinen also Funktionen bei der Entwicklung unterschiedlicher Organe zu haben, die teilweise redundant sind, da die Unterdrückung der Expression von nur zwei der zwölf BEL-Gene einen offensichtlichen Effekt zeigte. Die Funktion der TALE-Proteine im Hinblick auf ihre Einbindung in die zellulären Netzwerke wurde mit Hilfe des Hefe-zwei-Hybrid-Systems untersucht. Diese Untersuchungen ergaben ein Interaktions-Netzwerk der TALE-Proteine, das alle topologischen Charakteristika eines funktionalen Moduls aufweist. In diesem Netzwerk enthalten sind neun Mitglieder einer neuen pflanzlichen Proteinfamilie (AtOFPs), die durch das Vorhandensein einer konservierten C-terminalen Domäne von 60 Aminosäuren gekennzeichnet ist. Diese sogenannte OVATE-Domäne interagiert mit der Homöodomäne der TALE-Proteine. Anhand von Analysen verschiedener AtOFP1-T-DNA-Linien konnte gezeigt werden, dass eine vollständige Unterbrechung der Genexpression letal ist. Die Überexpression von AtOFP1 führt sowohl in Arabidopsis als auch in Tabak zu allometrischen Veränderungen, die vermutlich durch einen generellen Einfluss auf die Zellzyklus-Kontrolle hervorgerufen werden. Für die Proteine AtOFP1 und 5 konnte gezeigt werden, dass sie am Cytoskelett assoziiert sind und bei einer Koexpression mit BLH1 dessen Relokalisation aus dem Zellkern ins Cytoplasma bewirken. Diese Eigenschaft der AtOFPs korreliert mit der Interaktions-Fähigkeit, da eine Koexpression mit einem im Hefe-zwei-Hybrid-System nicht interagierenden BEL-Protein keine Änderung der Kern-Lokalisation nach sich zieht. Ein allgemeiner Kontrollmechanismus, mit dem die AtOFPs die Präsenz der TALE-Proteine im Zellkern regulieren, wird postuliert. Weiterhin ist es möglich, dass die AtOFPs über die Assoziation von TALE-Proteinen an die Mikrotubuli einen ersten Schritt im Verständnis der Prozesse darstellen, die für den Zell-Zell-Transport der KNOX-Proteine verantwortlich sind. Die Entdeckung der AtOFPs als Bestandteile des regulatorischen Netzwerkes der TALE-Proteine ermöglicht eine neue Herangehensweise an die Aufklärung der Funktion dieser Homöodomänen-Proteine.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Homeodomain proteins play a central role in developmental processes of all multicellular organisms. Members of the TALE superfamily are encoded by BELL and KNOX genes in plants. Despite considerable progress in recent years, the molecular function of these proteins still remains obscure. Using genetic, molecular and cell-biological methods the TALE protein family in Arabidopsis thaliana was investigated to elucidate common regulatory principles. Loss of function mutants of each single BEL gene were generated using RNAi technology. Plants reduced in BEL1 expression phenocopy the formerly published bel1 mutant. Loss of BLH9 expression has an influence on the phyllotactic pattern. By systematic overexpression studies two new phenotypes were obtained. Overexpression of ATH1 interferes with elongation growth of the stem. Gain of function mutants of BLH4 produce sterile flowers. These results indicate an influence of BEL proteins on developmental processes of different plant organs. Also function of TALE proteins seems to be partly redundant indicated by the fact that only two of the BEL gene knock outs have an obvious phenotypical effect. A second approach covered the functional analysis of TALE proteins in respect of their involvement in molecular networks. Yeast two-hybrid studies revealed a densely connected TALE interaction network which has all characteristics of a functional module. Nine members of a novel plant specific protein family denominated AtOFP (A. thaliana Ovate Family Proteins) are interwoven in the network. The AtOFPs are characterized by a conserved C-terminal domain mediating the interaction with the homeodomain of TALE proteins. Knock out of AtOFP1 in Arabidopsis plants turned out to be lethal. Gain of function mutants of this gene showed pleiotropic effects with allometric changes in all organs. Tobacco plants heterologously expressing AtOFP1 under control of the 35S promoter displayed similar phenotypical aberrations. The TALE-AtOFP1 interactions therefore seem to be central in cell cycle control mechanisms. The subcellular localization of AtOFPs and TALE proteins, as well as their direct interactions in vivo, was analyzed. Both AtOFP1-GFP and AtOFP5-GFP accumulated in nucleoli and associated with cytoskeletal structures. Coexpression of BLH1 and AtOFP1 or 5, respectively, resulted in a marked relocalization of the TALE protein from the nucleus to the cytoplasmic space where it was found in punctate structures aligned with the cytoskeleton. This relocalization effect is dependent on the interaction of AtOFPs with specific BEL proteins, as AtOFP1-GFP had no effect on the localization of BLH7-RFP, a BEL protein unable to interact with AtOFP1. A general regulatory mechanism of TALE protein localization by AtOFPs is postulated. The identification of AtOFPs linking TALE protein function and cytoskeleton association may also indicate a first step in the understanding of the molecular machinery underlying the frequently reported capacity of plant KNOX proteins to rapidly move from cell to cell. Knowledge of AtOFPs as central regulators of TALE proteins enables new approaches to the function of these homeodomain proteins.English
    Creators:
    CreatorsEmail
    Hackbusch, Janahackbusc@mpiz-koeln.mpg.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-12738
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    BEL-Proteine , KNOX-Proteine , Interaktions-Netzwerke , intrazelluläre Lokalisation , Pflanzen-EntwicklungGerman
    BEL proteins , KNOX proteins , interaction networks , intracellular localization , plant developmentEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Genetik
    Language: German
    Date: 2004
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 05 July 2004
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 29 Sep 2004 14:21:06
    Referee
    NameAcademic Title
    Schreier, PeterProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1273

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