Integration von Signalen -...
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Lichtreiz Schwerkraft Temperatur Schall, Geruch Integration von Signalen Signal Signaltransduktion Steuerung von Reaktionen Steuerung der Entwicklung Entwicklungsprogramm Kommunikation im Organismus endogen exogen Umwelt “Aussen-Kommunikation” “Reize” Optimale Abstimmung der Entwicklung und des Verhaltens eines Organismus durch Integration von endogenen und exogenen Signalen
Transcript of Integration von Signalen -...
LichtreizSchwerkraftTemperaturSchall, Geruch
Integration von Signalen
Signal
Signaltransduktion
Steuerung von ReaktionenSteuerung der Entwicklung
EntwicklungsprogrammKommunikation im Organismus
endogen exogen
Umwelt“Aussen-Kommunikation”
“Reize”
Optimale Abstimmung der Entwicklung und des Verhaltens eines Organismusdurch Integration von endogenen und exogenen Signalen
Phytohormone als zellübergreifende endogene Signale
Endogenes SignalPhytohormon
EntwicklungsprogrammKommunikation im Organismus
endogen exogen
UmweltIntegration von Außenfaktoren
Signaltransduktion
Steuerungvon Reaktionen
und der Entwicklung
Ionenflüsse Enzymaktivitäten Genexpression Cytoskelett
DefinitionPhytohormone:
sind niedermolekulare pflanzliche Botenstoffe, die ingeringen Konzentration (< 10 -5M) eine regulatorische, in der Regelzellübergreifende, Wirkung zeigen ohne hierbei selbst chemischverändert zu werden.
Hormonrezeptoren:sind hochaffine und spezifische Bindestellen für
Hormone, die durch eine reversible Bindung des Ligandengekennzeichnet sind und dieses Signal im Sinne einer Reizleitungtransduzieren.
Einteilung der Phytohormone
wachstumsstimulierende Phytohormone
wachstumsinhibierende Phytohormone
AuxineCytokinineGibberellineBrassinosteroide
EthylenAbscisinsäureJasmonsäureSalicylsäure
Auxin elongation growthcell divisionapical dominanceadventitous roots N
H
-CH2-COOH
indolacetic acid
Cytokinin cell divisionadventitous budsantagonist of senescence
NH
N
N N
__HN-CH2-CH=C CH3
CH2OH_
zeatin
Gibberellin elongation growthgerminationflower control
_
__CO
O
OHHO
HOOC
_
CH2
_
H3C
gibberellic acid 1
Brassinosteroidelongation growth
HO_
CH3_
CH3_
campesterol
wachstumstimulierende Phytohormone (Übersicht)
wachstumsinhibierende Phytohormone (Übersicht)
Ethylene fruit ripeningsenecenceleaf abscission
HC
H HH
C
Abscisic acid stomatal closuredormancydesiccation tolerancecold tolerance O
COOHOH
Jasmonic acid pathogen responsewound responsetendril coiling
O
COOH
Salicylic acid thermogenesispathogen response
OH
COOH
Regulation endogener Signale
PhysiologischaktivesSignal
Biosynthese Katabolismus
TransportKonjugierungSpeicherung
Signaltransduktion
Def. Signaltransduktion: Perzeption und Übertragung eines Signals, d.h. exogenen Reizes oder endogenen Botenstoffes, in einer molekularen Wirkkette
Auxin NH
-CH2-COOH
indolacetic acid
wichtigstes Auxin: Indolessigsäure
vorwiegendeBildungsorte:
MeristemeEmbryonenjunge Blätter
Transport basipetal: Spross, vom Apex zur BasisWurzel
unter Beteiligung des Auxin-efflux-Carriers PIN1, der überVesikel ortsselektiv in das Plasmalemma inseriert wird,und AUX1 (Auxin-Influx-Carrier)
z.T. ungerichtete Diffusion
Reinhardt et al, Nature 426, 255 (2003)
Phyllotaxis induced by exogenous auxin
pin1 mutant
Benkova et al., Cell 115, 591 (2003)
Auxin-Verteilung (Auxin-induzierte GUS Expression, blau,und Lokalisation uber Auxin-spez. Antikörper, braun)
PIN1 Expression
Secondary Root Formation
Streckungswachstum (i.d.R.)
Wirkung
Auxin fördert:
Spross u. Wurzelunterschiedliche Sensitivität(Überversorgung hemmt!)
Teilungsaktivität des Kambiumsinduziert Entwicklung desinterfascikulären Kambiums
(sek. Dickenwachstum)
Seitenwurzelbildung
Auxin wirkt hier antagonistischzu Cytokinin
Stecklingsbewurzelung durchAuxin (v.a. Indolbuttersäure)gefördert
Usambaraveilchen
10 Tage
- Auxin+ AuxinAdventiv-wurzeln
Apikaldominaz
Entwicklung von Seitensprossen wird unterdrückt
Samen entferntbis auf drei !
Samen entfernt+ Auxin - AuxinKontrolle
Samen entferntbis auf einen !
Samenlose Frucht
(partheno-karp)
Fruchtentwicklung
wird durch Auxin induziert
Auxinapplikation auf Fruchtknoten löst vielfach samenlose (parthenokarpe) Fruchtentwicklung aus z.B. bei Erdbeere, Tomate, Wassermelone
Biosynthese
über Tryptophan
Indol-3-acetonitril
C=N
4
- -
1) Trp-aminotransferase2) Indol-3-pyruvat-Decarboxylase3) Indol-3-acetaldehyd-DH4) Indol-3-acetonitril-Nitrilase
Tao et al., 2008Cell 133,164-176
npr
Auxin-Inaktivierung
Oxidation: IAA-Oxidase
Inaktivierung von Auxin initiiert durch IAA-Oxidase
Konjugation an IAA-Carboxygruppe:
- von Glucose über C1 (reversibel)
- von Aspartat über N (irreversibel Abbau)
Auxin-Signaltransduktion
Targets?
Analyse?
Aktivierung der ARF durch Abbau des Inhibitors IAA/AUX über Ubiquitinierung von AUX/IAA (Dömäne II interagiert mit Ubiquitinligase)
Experimenteller Beweis:Auxin-insensitive IAA/AUX Mutanten mit Defekt im Abbau (spezifisch für Auxinwirkung!)
Abbau von AUX/IAA beseitigt negative Regulation der Auxin-Antwort,d.h. stimuliert Auxin-Signalisation
ARFARF Aktives
Dimer
Auxin-abhängige Genregulation über ARF Transkriptionsfaktoren
Transkriptionsfaktoren ARF (auxin-response factors, sind Aktivatoren)
homodimerisieren bzw. heterodimerisierenmit Transkriptionsregulatoren AUX/ IAA(wirken als Repressor, 24 Vertreter in Arabidopsis)
ARF-AUX/IAA Heterodimer inaktiv!
ARFAUX/IAA
Inaktives Heterodimer
Gray et al. (2001) Nature 414, 271
Fusionsproteine von IAA-Glucuronidase sind stabilisiert in der Auxin-insensitiven Mutante axr2 mit mutiertem IAA7-Gen (=AXR2)und axr3 (=mutiertes IAA17)
Ubiquitin
- hochkonserviert (> 95 % Identität zwischen Homo sapiens und Arabidopsis thaliana)
- C-terminales Gly wird reversibel an Lysin-Resteanderer Proteine konjugiert (Isopeptidbindung)
- 76 Aminosäuren
Funktionen• Monoubiquitinierung: Stabilisierung• Polyubiquitinierung: Abbau der Proteine
durch Proteolyse
RUB und SUMO mit struktureller Homologie zu Ubiquitin
SUMOUbiquitin RUB1 (NEDD8)
60 % identity
Ubiquitinierung
CO O-
CO AMP
+ ATP X NH3+
CO XN
E3
PPi CO S
E1AMP
E1
SH
Polyubiquitinierungund
Proteolyse
E2C
O S
E2
SH
Monoubiquitinierung:Histoneandere Proteine
2 >20 > 500 Gene in Arabidopsis
E1: UbIquitin-aktivierendes EnzymE2: UbIquitin-konjugierendes EnzymE3: UbIquitin-Ligase (SCF-Komplex)
Ubiquitin und strukturverwandtes RUB in der Auxin-Signaltransduktion
26SProteasome
AUX/IAA
Auxin
AUX/IAAARF
inaktiv
ARFAUX/IAA
E2
Ubi
E3 (SCFTIR1
Complex)
F-box
Cullin
AUX/IAA
SKP
E1 E3: Ubiquitin-LigaseheterotrimerUntereinheitenSCFSKP1, Cullin, F-box
Cullin Kontakt mit E2 aktiviert durch Rub
SKP: Kontakt mit CFF-box: Substrat-
erkennung(TIR1 bei Auxin-antwort)
AXR1(RUB-E1
UE)RCE1
RUB
TIR1: AuxinrezeptorDharmasine et al,Nature 435, 441Kepinski and LeyserNature 435, 446Nemhauser and ChoryCell 112, 970
a, An overall view of the TIR1 surface pocket occupied by auxin (green) at the bottom and the highly coiled IAA7 peptide (orange) on top. The surface of the three long top surface loops of TIR1 responsible for ligand binding is coloured red. b, A close-up side view of the central GWPPV motif in the IAA7 peptide upon binding to TIR1. Interacting residues of the substrate peptide and TIR1 are shownas orange and yellow stick models, respectively. Auxin is shown as a green stick model. To clarify the view, two hydrophobicresidues, one from the peptide and the other from loop-2 of TIR1, are not shown. c, A slab view of the TIR1–auxin–IAA7 peptidecomplex, showing that auxin fills a cavity between two proteins. The molecular surface of TIR1 is shown in grey mesh. The IAA7 peptide and auxin are shown in orange surface representation and green CPK, respectively.
Xu et al. Nature 446, 640-645 (2007)
Proteolyse-abhängige Genregulation der Phytohormone über F-Box Proteine
Auxin-Antwort
Aktivierung der ARF Transkriptionsfaktorendurch Abbau der inhibitorischen IAA/AUX
Gibberellin-Antwort
GA-Bindung an Rezeptor: Rezeptor interagiert mit F-Box und aktiviert den Abbau der inhibitorischen DELLA Proteine (konserviert in Kormophyten nicht in Moosen, Algen)
Jasmonat-Antwort
JA-Isoleucin Konjugat perzipiert durch RezeptorCOI (F-Box ), das den Abbau der inhibitorischen JAZ Proteineeinleitet, Aktivierung der Transkriptionsfaktoren (MYC2)
a, JAZ proteins are normally bound to transcription factors and inhibit their activity. b, In response to attack, jasmonoyl–isoleucine (JA–Ile, marked with a star) stabilizes theinteraction between COI1 and JAZ. c, The JAZ protein is probably then modified by ubiquitin(U), so marking it for destruction. d, JAZ is destroyed, liberating the transcription factors; e, this allows transcription of genes that produce proteins involved in defence and development, as well as of JAZ genes to restrain the jasmonate response. (Only the COI1 component of the SCFCOI1 enzyme complex of which it is a part is shown.)Edward E. Farmer Yan et al. Plant Cell 8, 2220 (2009)Nature 448, 659-660 (2007)
Jasmonat-Isoleucin-Signaltransduktion
CytokininNH
N
N N
__HN-CH2-CH=CCH3
CH2OH_
zeatin
wichtigstes Cytokinin: Zeatin = Isopentenyladenin (Purinbiosyntheseweg)
vorwiegendeBildungsorte:
BiosyntheseWurzelspitzekeimende Samenjunge Gewebebereiche
Transport unpolar
Wirkung Cytokinin fördert:
Wirkung
enggekoppelt
Zellteilung und Streckungswachstum
Cytokinin aktiviert u.a. Cyclin-cdk-Komplex(siehe Vorlesung PD. Torres)
Stoffwechsel und verhindert Seneszenz
Beispiel: Herbstlaub mit grünen Inseln (Cytokinin produziert von Mikroorganismus)
Differenzierung u. Entwicklung im Zusammenspiel mit Auxin
Cytokinin fördert Seitensprossbildung(Auxin unterdrückt)
fascierte Sprosse von Salix
Bildung von “Hexenbesen”extrem: fascierte (verwachsene) Sprosse
Cytokinin unterdrückt Seitenwurzelbildung(Auxin fördert)
Cytokinin/Auxin regulierte OrganentwicklungBeispiel: Organregeneration aus Kallus
0 0.005 0.03 0.18 1 3
Indolessigsäure (mg/l)
Kin
etin
(mg/
l)
0
0.2
1
Organdifferenzierung aus Kalli der Tabakpflanze (Nicotiana tabacum)
Kallus
Kallus-proliferation
Spross-induktion
Wurzel-induktion
transgene Tabakpflanze mitgrün-fluoreszierendem Quallenprotein (GFP)
Agrobacterium tumefaciens
Gram-negatives Bodenbakterium
Pflanzenpathogen: Verursacher des Wurzelhalstumors bei Dicotylen
ca. 90 Pflanzenfamilen (>600 Spezies)unter Kulturbedingungen auch Monocotylewie Reis und Mais
Pflanzenkontakt: Einschleusen der einzelsträngigenT-DNA (ca. 23 kb), Region des Ti-Plasmids,Integration ins Wirtgenom,
T-DNA Gene für Auxin- und CytokininbiosyntheseGene für Opinbiosyntheseeukaryotische Transkription !
npr
Gen 1
npr
Biosynthese
über AMP
Nucleosidase
Hydroxylierung
Reduktion
Inaktivierung:Glucosylierung(OH, N7 und N9)reversibel
Signalkette
2- Komponentensystem
Cytokininrezeptoren AHK2, AHK3, AHK4/CRE 1, und CKI1 sind strukturell ähnlich demEthylen-Rezeptor ETR1(To u. Kieber, 2008, Trends Plant Science 13, 85)
Schematische Darstellung der Primärstrikturvon CKI1 und ETR1 aus Arabidopsis
Klonierung von CKI1 durch Aktivierungs-TaggingInsertion der T-DNA aktiviert Transkription benachbarter Gene
Inoue et al. 2001, Nature 409,1060
Überexpression von CKI1 (C, D, G, H) führt zurCytokinin-hypersensitiven Sprossinduktion bei Arabidopsis Kalluskulturen (D, H). Kontrolle(B, F)
AHK2,3 u. AK4/CRE1 sind Cytokininrezeptoren
mit struktureller Homologie zu bakteriellen „2-Komponenten-Systemen“
bakterielle „2-Komponenten-Systeme bestehen aus Sensor (membranst.Rezeptor) und Regulator
ähnlich den Cytokinin-u. Ethylenrezeptoren, Fusion von Sensor und Regulator (Transduzent)
2-Komponenten System (Enzym-gekoppelter Rezeptor)
charakteristisch für prokaryotische SignalwegeHefe: OsmoregulationPflanze: Ethylen- und CytokininrezeptorenHistidin-spezifische PROTEINKINASE als Sensorüberträgt Phosphatrest auf REGULATOR Protein (Phosphoaspartat-Bildung)Regulator häufig Transkriptionsregulator =Transduzent
Sensor-histidinkinasez.B. CheA
Regulator z.B. CheY
Bakterielle Chemotaxis
Hothorn et al (2011). Structural basis for cytokininrecognition by Arabidopsis thaliana histidine kinase 4. Nature Chem Biol 7, 266.
Hothorn et al (2011). Structural basis for cytokininrecognition by Arabidopsis thaliana histidine kinase 4. Nature Chem Biol 7, 266.
Histidin-Phosphotransmitter
AHP (Arabidopsis Histidine-Phosphotransmitter)binden an Rezeptoren und werden phosphoryliert
AHP1, AHP2 u. AHP5 zeigen Cytokinin-abhängige Lokalisation in Zellkern
aus Hwang und Sheen 2001, Nature 413,383
Responseregulator
ARR (Arabidopsis Response Regulator) sind Transkriptionsfaktoren
ARR1, ARR2 u. ARR10 sind Aktivatorender Genexpression und der Cytokinin-Antwort (TFs, ARR B-Typ)
werden durch AHP1 u. AHP2 de-reprimiert
ARR4, ARR5, ARR6 u. ARR7 (ARR A-Typ)sind negative Regulatoren der CytokininAntwort, werden durch Cytokinin induziert
aus Hwang und Sheen 2001, Nature
Ektopische Expression von CKI oderARR2 verstärkt die Cytokinin-Antwort
ER
Cytosol
Nucleus
