Universität zu Köln

Fernandez Villacorta, Nicolas (2011). Characterization of PRL1 and its paralogue PRL2 in Arabidopsis thaliana. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Das Arabidopsis-Gen PLEIOTROPIC REGULATORY LOCUS 1 (PRL1) kodiert für ein Protein, das ein Mitglied einer konservierten WDR-Protein-Familie in Eukaryoten ist. PRL1-Mutationen führen zu Zucker-Überempfindlichkeit, verursachen zahlreiche pleiotrope Veränderungen bei der Wurzel-, Blatt- und Blüten-entwicklung und lösen Antworten auf abiotische und biotische Stress-Reize aus, indem sie die Pflanzen-hormon-Homöostase verändern. Im Gegensatz zu anderen Eukaryoten enthält das Arabidopsis-Genom mit PRL2 ein PRL1-Paralog, das mit PRL1 eine hochkonservierte C-terminale WDR-Domäne teilt. Verglichen mit PRL1 besitzt PRL2 jedoch unterschiedliche N-terminale Sequenzen. Nichtsdestotrotz weisen die N-terminalen Bereiche von PRL1 und PRL2 eine für die Evolution im Pflanzenreich außergewöhnlich hochkonservierte Struktur auf. Untersuchungen an Hefen und Säugetieren zeigten, dass PRL1 eine Schlüsselrolle bei der Aktivierung des Spliceosoms spielt. Dennoch impliziert die Divergenz der N-terminalen PRL1-Region in Arabidopsis pflanzenspezifische Funktionen beim Spleißen. Ein Ziel dieser Arbeit war es, Einblicke in regulatorische Funktionen von PRL1 zu ermöglichen. Affymetrix ATH1-Arrays und Tiling-Arrays bestätigten zusammen mit der RNA-Seq-Analyse die im gesamten Genom vorhandenen Veränderungen der prl1 Mutante. Darüber hinaus legt die Hochregulierung der Transposons zusammen mit der Hochregulierung von vielen weiteren Genen nahe, dass PRL1 ebenfalls an der Kontrolle des Gen-Silencing beteiligt ist. Zudem konnte durch die Verwendung von veränderten PRL1-Konstrukten gezeigt werden, dass PRL1-Transkription und PRL1-Stabilität stressabhängig sind und dass PRL1 nicht in die Proteasom-Aktivität eingreift. Ein weiteres Ziel war, das Ausmaß der funktionellen Übereinstimmung von PRL1 und PRL2 zu beurteilen. Ein Transkriptionsvergleich von PRL1 und PRL2 ergab, dass PRL2 in den meisten Gewebeteilen auf einem signifikant niedrigeren Niveau transkribiert wird. So wird PRL2 in Blüten speziell im männlichen Reproduktionsgewebe, in Pollenkörnern, im Endosperm und in der Zygote exprimiert, wohingegen PRL1 in sich entwickelnden Samenanlagen und im Integument der sich entwickelnden Samen aktiv ist. Die prl2-Mutationen sind embryoletal, während somatische prl2-Mosaike einen prl1-ähnlichen Phänotyp zeigen. Durch den Austausch der unterschiedlichen N-terminalen Domänen zwischen PRL1 und PRL2 konnte die Subfunktionalisation von PRL1 und PRL2 gezeigt werden. Die N-terminale Domäne von PRL2 komplementiert den prl1-Wurzelphänotyp nur teilweise. Sie kann jedoch die von prl2 verursachte embryonale Letalität wiederherstellen. Zudem ersetzt die N-terminale PRL1-Domäne zusammen mit der C-terminalen PRL2-Domäne den prl1-Phänotyp, aber nicht den embryoletalen prl2-Phänotyp. Zusätzlich zu der unterschiedlichen Transkription, die man bei PRL1 und PRL2 beobachtet , hat die Diversifikation der N-terminalen Domänen zu der Subfunktionalisation von PRL1 und PRL2 in Arabidopsis beigetragen. Die in dieser Arbeit vorgelegten Ergebnisse weisen zudem darauf hin, dass PRL1 und PRL2 eine spezielle Funktion bei der Kontrolle des Gen-Silencing in Arabidopsis spielen.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language The Arabidopsis gene PLEIOTROPIC REGULATORY LOCUS 1 (PRL1) encodes a protein that has been identified as a member of a conserved WDR protein family in eukaryotes. Mutations of PRL1 result in hypersensitivity to sugars, cause a wide range of pleiotropic alterations in root, leaf and flower development and activate responses to abiotic and biotic stress stimuli by modifying the plant hormone homeostasis. In contrast to other eukaryotes, the genome of Arabidopsis encodes a PRL1 paralogue, PRL2, which shares a highly conserved C-terminal WDR domain with PRL1. However, PRL2 carries divergent N-terminal sequences when compared to PRL1. Nevertheless, the N-terminal domains of PRL1 and PRL2 show an exclusive evolutionary conservation in the plant kingdom. Studies in yeast and mammals revealed that PRL1 plays a pivotal role in spliceosome activation. However, the divergence of the PRL1 N-terminal region in Arabidopsis implies plant-specific functions in splicing. One aim of this work was to provide insights into the regulatory functions of PRL1. Affymetrix ATH1 arrays and Tiling arrays, together with RNA-Seq analysis, confirmed genome-wide alterations of the prl1 mutant. Moreover, the up-regulation of transposable elements, together with the up-regulation of other genes suggests that PRL1 is involved in the control of gene silencing. Furthermore, it was shown by using modified PRL1 constructs that PRL1 transcription and PRL1 stability are stress-dependent and that PRL1 does not interfere with the proteasome activity. Another aim was to assess the degree of functional complementarity of PRL1 and PRL2. Therefore, the PRL2 transcription was compared to the one of PRL1, showing that PRL2 is transcribed in most organs at a significant lower level. In flowers, PRL2 is expressed specifically in male reproductive tissues, pollen grains, endosperm and the zygote, whereas PRL1 is active in developing ovules and in the integuments of developing seeds. The prl2 mutations cause embryo lethality, whereas somatic prl2 mosaics show a prl1-like phenotype. PRL1 and PRL2 sub-functionalization was revealed by the replacement of the divergent N-terminal domains of PRL1 with PRL2. The N-terminal domain of PRL2 rescues the root phenotype of prl1 only partially. However, it complements the embryonic lethality caused by prl2. Moreover, the N-terminal domain of PRL1 in combination with the C-terminal domain of PRL2 complements the phenotype of prl1, but not the embryo lethal phenotype of prl2. In addition to the different expression observed for PRL1 and PRL2, the diversification of the N-terminal domains has contributed to the sub-functionalization of PRL1 and PRL2 in Arabidopsis. The results presented in this work also suggest that PRL1 and PRL2 perform a specific function in the control of gene silencing in Arabidopsis. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Fernandez Villacorta, Nicolas nicolasfvillacorta@googlemail.com UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-43892
Date:	20 October 2011
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language arabidopsis, PRL1, PRL2, transcription control English
Date of oral exam:	8 June 2010
Referee:	Name Academic Title Coupland, George Prof. Dr. Werr, Wolfgang Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4389