Dokument: Putative cis-regulatory elements and protein interaction networks control iron deficiency responses in Arabidopsis thaliana
| Titel: | Putative cis-regulatory elements and protein interaction networks control iron deficiency responses in Arabidopsis thaliana | ||||||||||||
| Weiterer Titel: | Putative cis-regulatorische Elemente und Proteininteraktionsnetzwerke kontrollieren Eisenmangelantworten in Arabidopsis thaliana | ||||||||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=51256 | ||||||||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20201021-100752-3 | ||||||||||||
| Kollektion: | Dissertationen | ||||||||||||
| Sprache: | Englisch | ||||||||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | ||||||||||||
| Medientyp: | Text | ||||||||||||
| Autor: | Schwarz, Birte [Autor] | ||||||||||||
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| Beitragende: | Prof. Dr. Bauer, Petra [Gutachter] Prof. Dr. Groth, Georg [Gutachter] | ||||||||||||
| Stichwörter: | Arabidopsis, iron deficiency, cis-regulatory element, transcription factor, regulation, machine learning, Random Forest, clustering, protein interaction, yeast two-hybrid, bHLH, E3 ligase, peptide | ||||||||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 580 Pflanzen (Botanik) | ||||||||||||
| Beschreibungen: | Iron (Fe) is essential for all plants and animals. Because of its redox properties, Fe acts in all important metabolic processes. In plants, the photosynthetic machinery is a major Fe sink. Lack of Fe results in visible leaf chlorosis, developmental retardation and yield loss. Because soil Fe is often oxidized and precipitated, plants have developed different acquisition strategies. Grasses usually make Fe accessible by releasing mugineic acid-based Fe3+ chelators into the soil (“Strategy II”). Non-grasses like Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) acquire Fe via a multi-step mechanism which involves local soil acidification and Fe reduction, accompanied by release of Fe-chelating coumarins (“Strategy I”). More than 1000 genes respond to Fe deprivation in Arabidopsis, coordinating Fe acquisition, allocation, and related functions. The basic helix-loop-helix (bHLH) transcription factor (TF) FIT (FER-LIKE IRON DEFICIENCY INDUCED TRANSCRIPTION FACTOR) regulates Strategy I Fe acquisition genes. In a co-expression network, FIT target genes form a sub-cluster. FIT-independent genes form another sub-cluster, containing e.g. Fe distribution genes and group Ib and IVa BHLHs. Group Ib bHLHs are needed in heterodimers with FIT to initiate Fe uptake, demonstrating that both sub-clusters are interconnected.
Relevant cis-regulatory elements (CREs) coordinating the co-regulation are largely unknown. Using a machine learning algorithm we modeled Fe deficiency-responses in Arabidopsis roots and identified more than 100 putative CREs (pCREs) which could robustly predict Fe deficiency-induced up-regulation. Among them was Strategy II CRE IDE1 (Iron Deficiency-responsive Element1), which we put forward as regulator of coumarin synthesis during Strategy I. Large-scale in vitro TF-DNA binding data revealed expected bHLH binding sites among the pCREs, and also binding sites for B3, NAC, bZIP and TCP TFs, which we thus propose as novel upstream regulators. Another puzzle is how the co-regulated Fe deficiency-responsive genes work together at the protein level, especially with regard to the yet unknown mechanism of Fe deficiency sensing and signaling. With targeted yeast two-hybrid assays we screened for novel protein-protein interactions. An emerging interaction network connects amongst others three homologous E3 ligases and negative regulators of Fe uptake, BRUTUS (BTS), BTS-LIKE1 (BTSL1) and BTSL2 with individual sets of bHLHs and with a small peptide, FEP3 (FE-UPTAKE-INDUCING PEPTIDE3). FEP3 is a potential phloem-mobile signal, while BTS/BTSL1/BTSL2 are potential Fe sensors. Because FEP3 physically interacted with BTSL1/2 and FEP3 over-expression lines phenocopied a btsl1-btsl2 double loss-of-function line, we introduce FEP3 as inhibitor of BTSL1/2 to de-repress Fe uptake. With the two studies, this thesis brings to light novel elements of transcriptional regulation and uncovers novel links between proteins which are being discussed in the field as promising candidates of Fe deficiency sensing and signaling.Eisen ist essentiell für Pflanzen und Tiere. Als Katalysator von Redox-Reaktionen ist Eisen an allen wichtigen Stoffwechselprozessen beteiligt. Ein Großteil des Eisens in Pflanzen wird vom Photosyntheseapparat benötigt. Eisenmangel äußert sich unter anderem in Blattchlorose und führt langfristig zu vermindertem Wachstum und Ertragsausfällen. Weil Eisen im Boden oft oxidiert und als Präzipitat vorliegt, haben Pflanzen spezielle Eisenaufnahmestrategien. Gräser geben Mugineinsäure-basierte Chelatoren in den Boden ab, welche Eisen(III) komplexieren und verfügbar machen („Strategie II“). Alle anderen Bedecktsamer, unter ihnen Arabidopsis, machen Eisen über einen mehrschrittigen Mechanismus verfügbar, einschließlich Senken des Rhizosphären-pH Werts und Reduktion von Eisen an der Epidermis („Strategie I“). Unterstützend werden Cumarine (Eisenchelatoren) in die Rhizosphäre abgegeben. Mehr als 1000 Gene sind in Arabidopsis thaliana eisenmangelreguliert. Sie koordinieren unter anderem Eisenaufnahme, Weitertransport und viele weitere damit zusammenhängende Prozesse. Der basic helix-loop-helix (bHLH) Transkriptionsfaktor (TF) FIT (FER-LIKE IRON DEFICIENCY INDUCED TRANSCRIPTION FACTOR) reguliert die Gene, die an der Strategie I Eisenaufnahme beteiligt sind. Im Koexpressions-Netzwerk sind die FIT-abhängigen Gene als Gruppe klar von der Gruppe FIT-unabhängiger Gene abgegrenzt. Letztere sind unter anderem am Weitertransport von Eisen beteiligt und mehrere von ihnen sind ebenfalls BHLHs. Untergruppe Ib bHLHs sind als Dimere mit FIT für die Eisenaufnahme notwendig. Dies zeigt, dass die Gruppen FIT-abhängiger und FIT-unabhängiger Gene teilweise voneinander abhängen. Cis-regulatorische Elemente (CREs) welche diese Koregulation koordinieren sind kaum bekannt. Unter Anwendung von maschinellem Lernen wurde die transkriptionelle Eisenmangelantwort in Arabidopsiswurzeln modelliert. Dadurch wurden mehr als 100 putative CREs (pCREs) identifiziert, die zuverlässig eisenmangelinduzierte Genexpression vorhersagen konnten. Unter anderem wurde das Strategie II-CRE IDE1 (Iron Deficiency-responsive Element1) identifiziert, welches hier mit der Regulation von der Cumarinsynthese während Strategie I in Verbindung gebracht werden konnte. Vergleiche mit large-scale in vitro TF-DNA-Bindungsdaten zeigten wie erwartet, dass einige der pCREs bHLH-Bindestellen entsprachen. Weitere pCREs entsprachen Bindestellen für B3, NAC, bZIP und TCP TFs, welche wir daher als vielversprechende Kandidaten vorschlagen, die oberhalb der bekannten transkriptional induzierten Gene agieren. Es ist immer noch relativ wenig darüber bekannt, wie die unter Eisenmangel koregulierten Gene auf Proteinebene in Beziehung zueinander stehen. Dies besser zu verstehen ist besonders interessant im Hinblick darauf, dass man noch immer nicht weiß, wie Eisenmangel von Pflanzen wahrgenommen und wie diese Information weitergeleitet wird. Mit einer Reihe von Hefe Zwei-Hybrid Experimenten haben wir nach neuen Protein-Protein-Interaktionen gesucht. Aus den Ergebnissen formiert sich ein Interaktionsnetzwerk, welches unter anderem drei homologe E3 Ligasen und negative Regulatoren der Eisenaufnahme, BRUTUS (BTS), BTS-LIKE1 (BTSL1) und BTSL2 mit je eigenen Kombinationen an bHLH TFs in Verbindung bringt. Dazu gehört außerdem ein kleines Peptid, FEP3 (FE-UPTAKE-INDUCING PEPTIDE3), welches ein potentielles Phloem-mobiles Signal sein könnte. BTS/BTSL1/BTSL2 sind potentielle Eisensensoren. Weil FEP3 mit BTSL1/2 interagieren konnte und weil FEP3 Überexpressionslinien bezüglich des molekularen Phänotyps stark einer btsl1-btsl2 doppel-knock-out Linie ähnelte, wurde ein hypothetisches Modell aufgestellt, in dem FEP3 die Funktion von BTSL1/2 inhibiert und damit die negative Regulation der Eisenaufnahme aufhebt. Diese Arbeit, mit den beiden enthaltenen Studien, bringt neue Elemente der transkriptionalen Regulation ans Licht und deckt neue Verbindungen zwischen Proteinen auf, welche im Moment als vielversprechende Kandidaten für eine Beteiligung am Eisenmangel-Signalweg diskutiert werden. | ||||||||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | ||||||||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Botanik | ||||||||||||
| Dokument erstellt am: | 21.10.2020 | ||||||||||||
| Dateien geändert am: | 21.10.2020 | ||||||||||||
| Promotionsantrag am: | 03.06.2019 | ||||||||||||
| Datum der Promotion: | 18.09.2019 |
