Universität zu Köln

Links between the Ubiquitin-Proteasome System and Cell Death Pathways in Arabidopsis thaliana

Garzon, Marcus (2008) Links between the Ubiquitin-Proteasome System and Cell Death Pathways in Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    The dominant pathway for protein degradation in eukaryotes is the ubiquitin-proteasome system. In an enzymatic cascade with three different enzymes (E1, E2, E3), the small protein ubiquitin is covalently linked to a target protein, and substrates carrying a multi-ubiquitin chain consisting of at least four ubiquitin moieties are rapidly degraded by the 26S proteasome. Programmed cell death (PCD) is the genetically controlled suicide of cells that occurs in all eukaryotes. Examples for PCD in plants are leaf senescence, the hypersensitive response (HR) after pathogen attack and processes during development such as the formation of tracheary elements. Several proteins involved in PCD in animals are regulated by the ubiquitin-proteasome pathway. In this work, the ubiquitin-proteasome system was perturbed in the model plant Arabidopsis by expression of UbK48R, a variant ubiquitin that was able to induce cell death in plants. Physiological characterization of the UbK48R-induced cell death could not precisely pinpoint the type of PCD observed. However, DNA degradation at a very late time point during PCD indicated that the UbK48R-induced PCD was related to senescence. It could also be shown that exposure to additional, normally harmless stress factors is able to accelerate the cell death process, and the isolation and characterization of suppressor of UbK48R-induced cell death (sud) mutants indicated changes in distinct, rather specialized pathways. One dominant mutant (sud1) resulted in higher resistance to the proteasome inhibitor MG132, and the recessive sud2 mutation could be positioned in a first-pass mapping to chromosome III between 10.7 Mbp and 18.9 Mbp. A second line of research dealt with the N-end rule pathway, a distinct ubiquitin-dependent protein degradation pathway that connects the fate of a protein with the nature of its amino-terminal residue. This pathway is also involved in leaf senescence. By using model substrates with defined amino acids at the amino terminus, it was shown that the Arabidopsis gene At5g02310 (now PRT6) encodes a ligase of the N-end rule pathway that recognizes and degrades proteins carrying Arg as amino-terminal residue. Model substrates with Leu as amino-terminal residue were, although also short-lived, not degraded by PRT6 or the second known ligase PRT1. Therefore, the existence of at least one more N-end rule ligase in plants was postulated.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Der vorherrschende Proteinabbauweg in Eukaryoten ist das Ubiquitin-Proteasom-System. In einer enzymatischen Kaskade mit drei verschiedenen Enzymen (E1, E2, E3) wird das kleine Protein Ubiquitin kovalent an das Zielprotein gebunden und Substrate, die eine aus mindestens vier Ubiquitin-Einheiten bestehende Ubiquitinkette tragen, werden schnell vom 26S Proteasom abgebaut. Programmierter Zelltod (PCD) ist der genetisch kontrollierte Selbstmord von Zellen, der in allen Eukaryoten zu finden ist. Beispiele für PCD bei Pflanzen sind Blatt-Seneszenz, die Hypersensitive Antwort (HR) nach Schädlingsbefall und Prozesse während der Entwicklung wie z.B. die Bildung von Tracheen. Mehrere Proteine, die am PCD bei Tieren beteiligt sind, werden durch den Ubiquitin-Proteasom Abbauweg reguliert. In dieser Arbeit wurde das Ubiquitin-Proteasom-System im pflanzlichen Modellorganismus Arabidopsis durch die Expression von UbK48R gestört, einer Ubiquitin-Variante, die in der Lage war, Zelltod in Pflanzen zu verursachen. Physiologische Charakterisierung des durch UbK48R hervorgerufenen Zelltodes konnte nicht genau die Art des eingeleiteten Zelltodes bestimmen. Jedoch zeigte der DNA-Abbau zu einem sehr späten Zeitpunkt während des PCD, dass der UbK48R-induzierte Zelltod mit Seneszenz verwandt war. Es konnte ebenfalls gezeigt werden, dass zusätzliche Stressfaktoren, die für sich alleine genommen harmlos sind, im Zusammenwirken miteinander den Zelltod beschleunigen, und die Isolierung und Charakterisierung von Suppressoren des UbK48R-induzierten Zelltodes (sud Mutanten) wies auf distinkte, eher spezialisierte Stoffwechselwege hin. Eine dominante Mutante (sud1) zeigte eine höhere Resistenz gegenüber dem Proteasom-Inhibitor MG132, und die rezessive Mutation sud2 konnte in einem ersten Mapping auf Chromosom III zwischen 10.7 Mbp und 18.9 Mbp positioniert werden. Ein zweiter Forschungsansatz befasste sich mit dem N-end rule Stoffwechselweg, einem ubiquitinabhängigen Proteinabbauweg, der das Schicksal eines Proteins mit der Beschaffenheit seiner amino-terminalen Aminosäure verknüpft. Dieser Stoffwechselweg ist ebenfalls an der Blatt-Seneszenz beteiligt. Durch den Gebrauch von Modellsubstraten mit definierter Aminosäure am amino-terminalen Ende konnte gezeigt werden, dass das Arabidopsis-Gen At5g02310 (jetzt PRT6) für eine Ligase des N-end rule Proteolyseweges kodiert, die Proteine, die Arg als amino-terminalen Rest besitzen, erkennt und abbaut. Modellsubstrate mit Leu als amino-terminalem Rest wurden, obwohl ebenfalls kurzlebig, nicht von PRT6 oder der zweiten bislang bekannten Ligase PRT1 abgebaut. Daher wurde die Existenz von mindestens einer weiteren N-end rule Ligase in Pflanzen postuliert.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Garzon, Marcusmgarzon@gmx.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-24996
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Ubiquitin , Programmierter Zelltod , N-end rule , Arabidopsis , UbK48RGerman
    Ubiquitin , Programmed cell death , N-end rule , Arabidopsis , Variant ubiquitin UbK48REnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > MPI für Züchtungsforschung
    Language: English
    Date: 2008
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 22 June 2008
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 30 Oct 2008 10:59:47
    Referee
    NameAcademic Title
    Hülskamp, MartinProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2499

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