Dokument: Functional Analysis of SCI1 - A PWWP domain protein involved in Polycomb group mediated gene regulation in Arabidopsis

Titel:	Functional Analysis of SCI1 - A PWWP domain protein involved in Polycomb group mediated gene regulation in Arabidopsis
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=21767
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20120702-134341-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Hohenstatt, Mareike L. [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 6,26 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 02.07.2012 / geändert 02.07.2012
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Vorausgegangene Studien in Arabidopsis über Polycomb-Gruppen (PcG) Proteine und die durch diese vermittelte repressive Histonmodifikation H3K27me3 haben gezeigt, dass nicht alle PcG Proteine aus Drosophila homologe Gene in Pflanzen aufweisen. Das kann in den Unterschieden in der Entwicklung und im Lebensstil von Pflanzen und Tieren begründet sein und suggeriert, dass viele pflanzenspezifische Proteine an der PcG vermittelten Genregulation in Arabidopsis beteiligt sind. In dieser Arbeit wurde das bisher nicht beschriebene Protein SCI1 (SWINGER / CURLY LEAF INTERACTOR 1) funktionell charakterisiert. SCI1 ist Teil einer Genfamilie mit drei Mitgliedern, die während des gesamten Lebenszyklus exprimiert sind. Die Phänotypen der Einzelmutanten der homologen Gene SCI1, SCI2 und SCI3 unterscheiden sich nur marginal vom Wildtyp, im Gegensatz dazu sind sci1 sci2 sci3 Mehrfachmutanten im Keimlingsstadium letal. Daraus kann geschlossen werden, dass ein hoher Grad an funktioneller Redundanz zwischen den SCI Genen vorliegt. Im Verlauf dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass SCI1 mit den Histon-Methyltransferase Untereinheiten CLF, SWN und MEA des pflanzlichen POLYCOMB REPRESSIVE COMPLEX 2 (PRC2) interagiert. Zusätzlich zur physikalischen Interaktion ist eine genetische Interaktion zwischen SCI1 und CLF vorhanden, da sci1 clf Doppelmutanten eine Verstärkung des clf-spezifischen Phänotyps aufweisen. Verantwortlich für diese Verstärkung ist die veränderte Fehlregulation der PcG Zielgene FLC, SEP3, AG und FT in sci1 clf Doppelmutanten im Vergleich zu clf Einzelmutanten. SCI1 reguliert die Expression des floralen Repressors FLC, und sci1 Mutanten weisen eine starke Reduktion von FLC Transkript auf. Dies resultiert in einem verfrühten Blühzeitpunkt von sci1 Mutanten im Vergleich zum Wildtyp. Einzelmutanten und Doppelmutanten von sci1 und flc weisen einen identischen Blühzeitpunkt auf, was auf eine epistatische Funktion von SCI1 und FLC hindeutet. Mutantenanalysen haben gezeigt, dass die Regulation der FLC Expression durch SCI1 unabhängig ist von FRI, einem Aktivator von FLC, sowie von dem Repressor FVE/MSI4. Allerdings könnte der Funktionsverlust von SCI1 auch zum Teil durch Redundanz der homologen Proteine SCI2 und SCI3 ausgeglichen werden. Um die Funktion von SCI1 weiter zu analysieren, wurden potentielle in vivo Komplex-Partner mit Hilfe von Immunoprezipitation von SCI1-GFP und folgender Analyse der Interaktionspartner mit Massenspektroskopie isoliert. Neben der PRC2 Komponente MSI1 konnten noch weitere chromatinmodifizierende Proteine isoliert werden. Zudem wurde mit LINC1 ein Protein identifiziert, das wie SCI1 eine intrazelluläre Lokalisation an der nucleären Peripherie aufweist. Durch weiterführende Analysen konnte eine verringerte Zellkern-Größe in sci1, vergleichbar mit linc1 Mutanten, nachgewiesen werden. Dieser Befund deutet darauf hin, dass SCI1, ähnlich wie LINC1, eine Funktion in der strukturellen Organisation des Zellkerns in Arabidopsis ausüben könnte. In dieser Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass die PWWP Domäne von SCI1 in vitro Histon-Bindungseigenschaften besitzt. Die Bindung an Histon-Peptide wird durch Phosphorylierung an der Position H3S28 inhibiert, während andere Histonmodifikationen keinen Effekt auf die Bindung der SCI1 PWWP Domäne haben. H3S28 grenzt direkt an die durch PcG Proteine tri-methylierte Position H3K27. Da H3S28pho und H3K27me3 antagonistische Auswirkung auf die Genexpression haben, und potentiell die Bindung von Effektor Molekülen konträr beeinflussen, kann angenommen werden, dass SCI1 als Interaktionspartner von PRC2 Komponenten bei der Wechselwirkung dieser Modifikationen eine Rolle spielt. Zusammenfassend kann man sagen, dass das PWWP-Domänen-Protein SCI1 eine Funktion in der Regulation von FLC und anderen PcG Zielgenen aufweist. Es ist denkbar dass SCI1, potentiell redundant mit SCI2 und SCI3, die Bindung von PcG Proteinen an Histone mit der Modifikation H3S28pho verhindert, zum Beispiel während der Zellteilung oder als Reaktion auf abiotischen Stress. Zusätzlich weisen meine Ergebnisse darauf hin, dass SCI1, zusammen mit LINC1, eine Funktion in der strukturellen Organisation des Zellkerns besitzen könnte. Previous studies showed that Polycomb group (PcG) proteins that mediate the repressive tri-methylation of H3K27, and which were initially identified in Drosophila, are only in part conserved in plants. This might be due to differences in development and lifestyle between plants and animals, and suggests that many plant specific proteins are involved in PcG mediated gene regulation in Arabidopsis. In this study the novel plant specific protein SCI1 was characterized, which is encoded by a gene family with three members in Arabidopsis. RNA and reporter gene analyses showed that SCI1 and its two homologs SCI2 and SCI3 are expressed throughout plant development. A high level of redundancy among the three SCI genes was revealed by analysis of sci1 sci2 sci3 triple mutants, which are seedling lethal. Introduction of SCI1 or SCI3 transgenes were able to rescue the mutant phenotype. SCI1 was found to interact with the plant PRC2 members CLF, SWN and MEA. Double mutant analyses revealed a genetic interaction of SCI1 and CLF, as sci1-1 clf-28 double mutants show a strong enhancement of the clf mutant phenotype. SCI1 has a function in PcG target gene regulation, as altered transcript levels of the PcG target genes FLC, SEP3, AG and FT were detected in sci1-1 clf-28 double mutants, which is probably the cause for the enhancement of the phenotype. FLC expression is strongly repressed in sci1 single mutants, which results in an early flowering phenotype, and double mutant analyses revealed an epistatic function of FLC and SCI1 in respect to flowering time. Mutant analyses suggest, that SCI1 acts independently of FRI, an activator of FLC expression, and of the autonomous pathway component FVE/MSI4, which acts as repressors of FLC. Nevertheless it cannot be excluded that SCI1 function in these genetic backgrounds is masked by functional redundancy between SCI1, SCI2 and SCI3. To further analyze SCI1, putative in vivo complex partners were isolated in an immunoprecipitation experiment followed by mass spectrometry. Besides the PRC2 component MSI1, also other proteins involved in chromatin remodeling were found to interact with SCI1. Furthermore the coiled coil protein LINC1 was identified as putative interaction partner of SCI1, and both proteins localize to the nuclear periphery in Arabidopsis root cells. sci1 mutants, similar to linc1, show a reduction of nuclear size compared to the wildtype, suggesting that SCI1 might be involved in the regulation of nuclear architecture in Arabidopsis. The amino-terminal PWWP domain of SCI1 was analyzed in respect to histone peptide binding ability. With the exception of phosphorylated H3S28, which inhibits binding of the SCI1 PWWP domain, histone peptides were bound by the SCI1 PWWP domain regardless to other modifications. Since H3S28 is directly adjacent to the PRC2 target site H3K27, SCI1 might be involved in the interplay of these two, probably antagonistic, histone modifications. In conclusion, SCI1 is involved in the regulation of PcG target genes, especially in the regulation of FLC. It is conceivable that SCI1, in concert with SCI2 and SCI3, could restrict PRC2 from binding to chromatin phosphorylated at H3S28, for example during mitosis or in response to abiotic stress. Furthermore SCI1 controls nuclear size, and might have a LINC1 related function in nuclear architecture in Arabidopsis.
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Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Genetik
Dokument erstellt am:	02.07.2012
Dateien geändert am:	02.07.2012
Promotionsantrag am:	07.05.2012
Datum der Promotion:	06.06.2012