Zhang, Bipei (2018). Evolutionary Analysis of MYBs-bHLH-WD40 Protein Complexes Formation and Their Functional Relationship in Planta. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

It is well established that a network of three classes of proteins consisting of R2R3MYB, bHLH factors and WD40 repeat protein acted in concert as a ternary complex (i.g. MBW protein complex) to activate the flavonoid-based pigment biosynthetic pathway in most high plants. Several additional functions evolved in rosids: e.g. trichome patterning, root hair patterning and seed coat mucilage production in Arabidopsis (A. thaliana) or Arabis (A. alpina) and seed hair formation in cotton (G. hirsutum). New roles of MBW complexes controlling epidermal cell fate in rosids may have diverged since the evolutionary separation of rosid and asterid, although the details of this are still not clear. Previous studies in our lab revealed novel stereochemistry of MBW components, i.g. alternative dimers TTG1-GL3 and GL1-GL3, which revised the conventional TTG1-GL3-GL1 ternary model. However, it raises one major question: what are the evolutionary implications of such alternative dimers formation among MBW components in plants? In this study, we characterized the stereochemistry of MBW proteins in different plant species by triple LUMIER assay. Using the inter-relation of MBW components as the criterion, we achieved a highly accordant phylogenetic tree suggesting the evolutionary relevance of this novel stereochemistry of MBW components. Potential critical sites in bHLH proteins accounting for diversed MBW stereochemistry were predicted. In Arabidopsis, MBW genes which control trichome and root hair patterning traits are assumed to evolve from the duplication and diversification of flavonoid controlling genes, therefore trichome and root hair traits are considered as evolutionary current inventions. However, the exact evolving order of these traits still remains to be confirmed. To better define functional divergence of the MBW proteins in the five TTG1 related traits, we performed cross-species complementary assays with MBW homologs in Arabidopsis mutants. Among MBW protein complexes in Arabidopsis, AtTTG1-AtGL3-AtGL1 is considered to be the predominant regulatory complex in leaf trichome formation. This regulatory unit is not only represented by a single trimeric complex (synergetic inter-relation) but also by two alternative dimers (antagonistic inter-relation) that in turn regulate different downstream genes. Probably even more important is the finding that different promoters become activated depending on the relative concentration of these three proteins, as this should translate into different ratios of alternative dimers and trimers. In this study, we attempted to simulate regulatory models in the context of differential proportion of alternative dimers through quantitatively determining AtTTG1 and AtGL1 competing for the binding to AtGL3. These experimental studies were complemented by mathematical modeling by Anna Deneer, Waageningen.

Item Type: Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:
AbstractLanguage
Der flavonoid-basierte Pigmentbiosyntheseweg in fast allen höheren Pflanzen wird von einem tenären Komplex bestehend aus R2R3MYB, bHLH und WD40 Proteinen (MBW-Komplex) aktiviert . Einige zusätzliche Funktionen des MBW-Komplexes entwickelten sich in der Gruppe der Rosiden: Trichommusterbildung, Wurzelhaarmusterbildung und Samenmantelschleimhautproduktion in Arabidopsis (A. thaliana) und Arabis (A. alpina), sowie Samenhaarbildung in Baumwolle (G. hirsutum). Diese neuen regulativen Aufgaben des MBW-Komplexes in epidermaler Zelldifferenzierung divergierten eventuell bei der evolutionären Trennung der Rosiden von den Asteriden, jedoch sind die Details dieser Entwicklung noch nicht bekannt. Dieser Studie vorausgehende Ergebnisse aus unserer Gruppe zeigten neue stereochmische Konfomationen der MBW Komponenten, die das klassische tenäre TTG1-GL3-GL1 Model ergänzten (z.B. alternative Dimere wie TTG1-GL3 und GL1-GL3). Dies führte zu folgender Frage: Welche evolutive Bedeutung hat diese alternative Dimerformation der MBW Komponenten in Pflanzen? Hierzu haben wir in dieser Studie die stereochemischen Eigenschaften von MBW Proteinen aus verschiedenen Pflanzenspezies mithilfe von Dreifach-LUMIER-Tests charakterisiert. Unter Verwendung der Ergebnisse der untersuchten Wechselbeziehungen der MBW Komponenten, konnten wir einen sehr genauen phylogenetischen Baum rekonstruieren. Dieses Ergebnis hebt die evolutionäre Relevanz dieser neuen strereochemischen Eigenschaften der MBW Komponenten hervor. Des Weiteren wurden besonders relevante Bereiche für variable strereochemische Eigenschaften innerhalb der bHLH Proteine vorhergesagt. Es wird angenommen, dass Trichom- und Wurzelhaarmusterbildung neue evolutive Merkmale sind und dass diese aus der Duplizierung und Diversifizierung der Gene hervorgegangen sind, welche die Flavoniodbiosynthese regulieren. Die genaue Reihenfolge, in der diese Merkmale entstanden sind, ist jedoch bisher unklar. Wir führten artübergreifende Komplementärstudien mit homologen MBW Proteinen in A. thaliana Mutanten durch, um die funktionalen Unterschiede der MBW Proteine in den fünf TTG1 regulierten morphologischen Merkmalen besser zu definieren. AtTTG1-AtGL3-AtGL1 gilt als der wichtigste regulatorische MBW-Komplex für die Trichommusterbildung auf Blättern. Diese regulatorische Einheit liegt nicht nur in trimerer Konformation vor (synergistische Wechselwirkung), sondern auch in zwei alternativen Dimeren (antagonistische Wechelwirkung), die wiederum verschiedene nachgeschaltete Gene regulieren. Ein wahrscheinlich noch wichtigerer Aspekt ist, dass abhänging von den relativen Konzentrationen dieser drei Proteine zu einander, verschiedene Promotoren differentiell aktiviert werden, was sich wiederum auf das Verhältnis der Konformationen auswirkt (alternative Dimere vs trimerer Komplex). Im Rahmen dieser Studie wurde versucht durch Simulationen ein regulatorisches Model aufzustellen, welches die verschiedene Proportionalität der alternativen Dimäre beschreibt. Dazu wurde quantitativ bestimmt, wie AtTTG1 und AtGL1 um die Bindung mit AtGL3 konkurrieren. Diese experimentellen Studien wurden durch mathematische Modelle von Anna Deneer, Waageningen, ergänzt.German
Creators:
CreatorsEmailORCID
Zhang, Bipeibzhang1@smail.uni-koeln.deUNSPECIFIED
URN: urn:nbn:de:hbz:38-83678
Subjects: English
Life sciences
Agriculture
Uncontrolled Keywords:
KeywordsLanguage
WD40English
bHLHEnglish
R2R3MYBEnglish
Faculty: Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions: Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Botanical Institute
Language: English
Date: 5 July 2018
Date of oral exam: 16 May 2018
Referee:
NameAcademic Title
Hülskamp, MartinProf. Dr.
Refereed: Yes
URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/8367

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