Universität zu Köln

Koebke, Eva (2021). The BEACH domain containing protein SPIRRIG in an interplay with TZF proteins and the characterization of SPIRRIG in M. polymorpha. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The BEACH domain containing proteins (BDCPs) represent a highly conserved family among eukaryotes and members have been described in most of the prominent model organisms. The BDCPs were discovered through exploration of a severe human disease comprising symptoms such as albinism, bleeding diathesis, immunodeficiency and cancer growth. On the cellular level, BDCPs are classically known to be involved in membrane trafficking processes including vesicle transport, autophagy as well as membrane fission and fusion events. In accordance, the Arabidopsis thaliana cell morphogenesis and BDCP-coding gene SPIRRIG is implicated in membrane-dependent processes as well. The protein is a particularly interesting BDCP, as to date, it is the only member of this family known to exert an additional function in mRNA metabolism by mediating mRNA stability and promoting processing body formation biologically relevant to A. thaliana salt stress response. The exact molecular mechanism of SPIRRIG, however, remains elusive. This study was set out to investigate SPIRRIG function using two different approaches. One part of this work aimed to gain further understanding of SPIRRIG’s molecular function in salt stress response by analyzing an interplay with tandem zinc finger (TZF) proteins. While molecular functions of plant TZF proteins are not yet fully understood, mammalian homologs are involved in stress-associated mRNA destabilization processes upon binding to specific elements in 3’UTRs of target mRNAs. An interaction of SPIRRIG with TZF10 strongly suggested a potential connection of the two proteins and prompted further investigations in order to unravel this so far unknown interplay between BDCPs and TZFs. Strikingly, this study confirmed TZF10 to rescue the salt hypersensitivity phenotype of spirrig mutants. Extensive mRNA expression and stability assays however could not confirm previously hypothesized, biologically relevant roles of the TZF10 3’UTR in the context of spirrig salt hypersensitivity rescue. Nonetheless, this work convincingly demonstrated general mRNA destabilization capacity mediated by the TZF10 3’UTR and isolated a potential mRNA destabilization-inducing motif. The second part of this work utilized an evolutionarily comparative approach in order to unravel conserved, basal BDCP functions in one of the first plants colonizing the land, the liverwort Marchantia polymorpha. The characterization on the morphological and cellular level of a Mpspirrig mutant, which was identified in a T-DNA screen by its short rhizoids, revealed exciting insights on potential BDCP function in the ancient plant. The Mpspirrig short rhizoid phenotype, reminiscent to the short root hair phenotype of Atspirrig, was surprisingly shown to be an expression of a phenotype hallmarked by an increased number of at the same time significantly smaller cells in Mpspirrig gemmae. This newly discovered phenotype pointed to a role of MpSPIRRIG in cell proliferation and/or cell expansion processes. Moreover, this work strongly supported a connection of MpSPIRRIG to membrane trafficking pathways by demonstrating direct co-localization and interaction of MpSPIRRIG with endosomal sorting complex required for transport (ESCRT) components. Finally, this study revealed MpSPIRRIG to be relevant to Marchantia salt stress response and to locate to cytoplasmic mRNA granules, providing several indications for the dual function of SPIRRIG in the two assumingly unrelated pathways of salt stress response and membrane trafficking to be evolutionarily conserved.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Familie der BEACH-Domänen Proteine ist unter den Eukaryonten hochkonserviert und ihre Mitglieder wurden in den meisten bekannten Modellorganismen beschrieben. Die BEACH-Domänen Proteine entdeckte man bei der Erforschung einer schweren humanen Krankheit, die unter anderem von Symptomen wie Albinismus, Blutungsdiathese, Immunschwäche und Krebswachstum begleitet wird. Auf zellulärer Ebene sind BEACH-Domänen Proteine klassischerweise dafür bekannt, dass sie für Membrantransportprozesse, wie zum Beispiel Vesikeltransport, Autophagie, sowie Membranspaltung und -fusion wichtig sind. Entsprechend spielt das an der Zellmorphogenese beteiligte BEACH-Domänen Protein SPIRRIG aus Arabidopsis thaliana ebenfalls eine Rolle in membranabhängigen Prozessen. Das Protein ist ein besonders interessanter Vertreter der Familie der BEACH-Domänen Proteine, da es bisher das einzige BEACH-Domänen Protein ist, von dem man weiß, dass es eine zusätzliche Funktion im mRNA-Stoffwechsel ausübt. In vorausgehenden Studien wurde gezeigt, dass SPIRRIG mRNA-Stabilität vermittelt und außerdem die Bildung von Processing bodies fördert. Diese Funktion von SPIRRIG ist biologisch relevant für die Salzstressreaktion von A. thaliana. Der exakte molekulare Wirkmechanismus von SPIRRIG ist jedoch noch nicht bekannt. In dieser Studie wurden zur weiteren Untersuchung der Funktion von SPIRRIG zwei verschiedene Ansätze gewählt. Ein Teil dieser Arbeit zielte darauf ab, die molekulare Funktion von SPIRRIG in der Salzstressreaktion tiefergehend zu verstehen, indem ein Zusammenspiel mit Tandem zinc finger (TZF) Proteinen analysiert wurde. Während die molekularen Funktionen von pflanzlichen TZF Proteinen noch nicht vollständig verstanden sind, sind Homologe in Säugetieren dafür bekannt, dass sie eine Funktion in stress-assoziierten mRNA-Destabilisierungsprozessen haben. Dies erfolgt über die Bindung an spezifische Elemente in 3'UTRs von Ziel-mRNAs. Eine Interaktion von SPIRRIG mit TZF10 deutete stark auf eine mögliche Verbindung der beiden Proteine hin und gab Anlass zu weiteren Untersuchungen, um dieses bisher unbekannte Wechselspiel zwischen BEACH-Domänen Proteinen und TZFs zu entschlüsseln. Bemerkenswerterweise bestätigte die vorliegende Studie die Rettung des Salzüberempfindlichkeitsphänotyps von spirrig Mutanten durch die Expression von TZF10. Umfangreiche mRNA Expressions- und Stabilitätsuntersuchungen konnten jedoch eine zuvor vermutete, biologisch relevante Rolle der TZF10 3'UTR im Zusammenhang mit der Rettung der spirrig Salzüberempfindlichkeit nicht bestätigen. Dennoch zeigte die vorliegende Arbeit überzeugend eine durch die TZF10 3’UTR vermittelte, allgemeine Kapazität zur mRNA-Destabilisierung. Außerdem konnte ein potentielles mRNA-Destabilisierungsinduktionsmotiv isoliert werden. Der zweite Teil dieser Arbeit verfolgte einen evolutionär-vergleichenden Ansatz, um konservierte, basale Funktionen von BEACH-Domänen Proteinen in dem Lebermoos Marchantia polymorpha, eine der ersten Pflanzen, die das Land besiedelten, zu entschlüsseln. Die Charakterisierung auf morphologischer und zellulärer Ebene einer Mpspirrig-Mutante, die aufgrund ihrer kurzen Rhizoide in einem T-DNA Screen isoliert wurde, offenbarte interessante Erkenntnisse über potenzielle Funktionen von BEACH-Domänen Proteinen in der evolutionär früh entstandenen Pflanze. Der Mpspirrig Phänotyp der kurzen Rhizoide, der an den Kurzwurzelhaar-Phänotyp von Atspirrig erinnert, erwies sich überraschenderweise als Ausdruck eines Phänotyps, der durch eine erhöhte Anzahl von gleichzeitig signifikant kleineren Zellen in Gemmae von Mpspirrig gekennzeichnet ist. Dieser neu entdeckte Phänotyp wies auf eine Rolle von MpSPIRRIG in Zellproliferations- und/oder Zellexpansionsprozessen hin. Außerdem unterstützte diese Arbeit nachdrücklich eine Verbindung von MpSPIRRIG mit Membrantransportwegen, indem sie die direkte Ko-Lokalisierung und Interaktion von MpSPIRRIG mit Komponenten des Endosomal sorting complex required for transport (ESCRT) nachwies. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass MpSPIRRIG für die Salzstressreaktion von Marchantia relevant ist und in cytoplasmatischen mRNA-Granula lokalisiert ist. Die Doppelfunktion von SPIRRIG scheint somit in den beiden vermutlich nicht verwandten Pfaden der Salzstressreaktion und des Membrantransports evolutionär konserviert zu sein. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Koebke, Eva UNSPECIFIED UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-353957
Date:	2021
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Biology > Botanical Institute
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language BEACH DOMAIN, BDCP, TANDEM ZINC FINGER, post-transcriptional regulation, 3' untranslated region, salt stress, Marchantia polymorpha UNSPECIFIED
Date of oral exam:	7 December 2020
Referee:	Name Academic Title Hülskamp, Martin Prof. Dr. Höcker, Ute Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/35395