Dokument: Cell type specific complex formation of key transcription factors regulates stem cell homeostasis in the root of Arabidopsis thaliana
| Titel: | Cell type specific complex formation of key transcription factors regulates stem cell homeostasis in the root of Arabidopsis thaliana | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=66408 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20240729-093223-4 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Strotmann, Vivien Ingeborg [Autor] | |||||||
| Dateien: |
| |||||||
| Beitragende: | PD Dr. Stahl, Yvonne [Gutachter] Prof. Dr. Simon, Rüdiger [Gutachter] | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie | |||||||
| Beschreibungen: | Stem cell homeostasis in the root apical meristem (RAM) of higher plants facilitates high developmental plasticity which allows the plant to adapt to biotic and abiotic stresses. In the center of the RAM, a pool of rarely dividing stem cells, termed the quiescent center (QC), is maintained and produces the surrounding tissue specific initials. The balance of stem cell quiescence and replenishment is regulated by a highly dynamic regulatory network, which, among other things, involves different phytohormones, peptides, receptors and transcription factors (TFs) e.g. BRASSINOSTEROID AT VASCULAR AND ORGANIZING CENTRE (BRAVO), PLETHORA 3 (PLT3) and WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 5 (WOX5). In this study new aspects of stem cell homeostasis in the root of the model plant Arabidopsis thaliana have been uncovered.
First, I contributed to the optimization and establishment of a novel fitting routine for Förster resonance energy transfer fluorescence lifetime imaging microscopy (FRET-FLIM) with multi-exponentially-decaying donor fluorophores that allowed us to distinguish between protein affinity and orientation/distance, which was tested using multiple MADS-box domain TFs that control flower development in Arabidopsis. This novel tool has the potential to improve our understanding of all biological processes that rely on protein-protein-interactions (PPI). Next, I took part in investigations on the concerted mutual regulation of WOX5 and PLTs in the homeostasis of the stem cell niche in the Arabidopsis root. Here, we could demonstrate that both WOX5 and PLT3 control QC maintenance and columella stem cell (CSC) fate interdependently. Moreover, our data suggest that the regulation of CSC fate determination relies on the partitioning of WOX5-PLT3 heterodimers in so-called nuclear bodies (NBs). NB formation occurs only in CSCs and depends on intrinsically-disordered regions containing prion-like domains (PrDs) identified in the PLT3 aa sequence necessary for complex formation with WOX5. Furthermore, we hypothesized that NB formation is a result of liquid-liquid-phase-separation (LLPS). Subsequently, the balance of stem cell quiescence and replenishment regulated by PLT3 and WOX5 was linked to the brassinosteroid-dependent TF BRAVO. Mutant analysis, and their overlapping expression pattern in specific cell types of the root, support the hypothesis that these TFs exhibit a combinatory triangle in regulating stem cell maintenance. Additionally, FRET-FLIM studies were performed to obtain quantitative interaction data that together with the novel analysis routine allowed us to decipher variations in protein affinities for different heterodimer and oligomer compositions. The following computational modelling, which combined cell type specific protein abundances and variations in protein affinities, revealed unique cell type specific protein complex 'signatures' that contribute to stem cell homeostasis in the root. In summary, the results of this study add another layer to the intricate regulatory network that balances stem cell maintenance and replenishment in the Arabidopsis root. Interdisciplinary approaches like the combination of experimental data and computational modelling offer a great potential for all fields of plant research.Die Stammzellenhomöostase im Wurzelapikalmeristem (engl. root apical meristem, RAM) höherer Pflanzen ermöglicht eine hohe Entwicklungsplastizität, die es der Pflanze erlaubt, sich an biotische und abiotische Stressfaktoren anzupassen. Im Zentrum des Wurzelapikalmeristems befindet sich ein Pool von sich kaum teilenden Stammzellen, das so genannte ruhende Zentrum (engl. quiescent center, QC), das die umliegenden gewebespezifischen Initialen produziert. Das Gleichgewicht von Stammzellruhe und -nachschub wird durch ein hochdynamisches Netzwerk reguliert, an dem unter anderem verschiedene Phytohormone, Peptide, Rezeptoren und Transkriptionsfaktoren (engl. transcription factors, TFs) beteiligt sind, z.B. BRASSINOSTEROID AT VASCULAR AND ORGANIZING CENTRE (BRAVO), PLETHORA 3 (PLT3) und WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 5 (WOX5). In dieser Studie wurden neue Aspekte der Stammzell-Homöostase in der Wurzel der Modellpflanze Arabidopsis thaliana aufgedeckt. Zunächst trug ich zur Optimierung und Etablierung einer neuartigen Analyseroutine für die Förster-Resonanz-Energie-Transfer-Fluoreszenz-Lebenszeit-Imaging-Mikroskopie (FRET-FLIM) mit exponentiell zerfallenden Donor-Fluorophoren bei, die es uns ermöglichte, zwischen Proteinaffinität und Orientierung/Distanz zu unterscheiden, was anhand mehrerer MADS-Box-Domänen-TFs getestet wurde, die die Blütenentwicklung in Arabidopsis steuern. Dieses neue Instrument hat das Potenzial, unser Verständnis aller biologischen Prozesse zu verbessern, die auf Protein-Protein-Interaktionen (PPIs) beruhen. Desweiteren beteiligte ich mich an Untersuchungen zur abgestimmten, gegenseitigen Regulierung von WOX5 und PLTs bei der Homöostase der Stammzellnische in der Arabidopsis-Wurzel. Hier konnten wir zeigen, dass sowohl WOX5 als auch PLT3 die Aufrechterhaltung des QCs und das Schicksal der Columella-Stammzellen (engl. columella stem cells, CSCs) in gegenseitiger Abhängigkeit steuern. Darüber hinaus deuten unsere Daten darauf hin, dass die Regulierung der Bestimmung des CSC-Schicksals von der Verteilung von WOX5-PLT3-Heterodimeren in sogenannten Kernkörperchen (engl. nuclear bodies, NBs) abhängt. Die Bildung von NBs erfolgt nur in CSCs und hängt von intrinsisch ungeordneten Regionen ab, die prion-ähnliche Domänen (engl. prion-like domains, PrDs) enthalten, die in der PLT3 Aminosäure-Sequenz identifiziert wurden und für die Komplexbildung mit WOX5 notwendig sind. Darüber hinaus stellten wir die Hypothese auf, dass die Bildung von NB eine Folge von Flüssig-Flüssig-Phasen-Separation (engl. liquid-liquid phase separation, LLPS ist. Anschließend wurde das von PLT3 und WOX5 regulierte Gleichgewicht zwischen Stammzellruhe und -erneuerung mit dem Brassinosteroid-abhängigen TF BRAVO in Verbindung gebracht. Eine Mutantenanalyse und ihr sich überschneidendes Expressionsmuster in bestimmten Zelltypen der Wurzel stützen die Hypothese, dass diese TFs ein kombinatorisches Dreieck bei der Regulierung der Stammzellerhaltung bilden. Zusätzlich wurden FRET-FLIM-Studien durchgeführt, um quantitative Interaktionsdaten zu erhalten, die es uns zusammen mit der neuartigen Analyseroutine ermöglichten, Variationen der Proteinaffinitäten für verschiedene Heterodimer- und Oligomerzusammensetzungen zu entschlüsseln. Die anschließende computergestützte Modellierung, bei der zelltypspezifische Proteinhäufigkeiten und Variationen der Proteinaffinitäten kombiniert wurden, ergab einzigartige, zelltypspezifische Proteinkomplex-„Signaturen“, die zur Stammzell-Homöostase in der Wurzel beitragen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ergebnisse dieser Studie das komplizierte regulatorische Netzwerk, das die Erhaltung und Erneuerung der Stammzellen in der Arabidopsis-Wurzel ausbalanciert, um eine Ebene erweitern. Interdisziplinäre Ansätze wie die Kombination von experimentellen Daten und mathematischer Modellierung bieten ein großes Potenzial für alle Bereiche der Pflanzenforschung. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Genetik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 29.07.2024 | |||||||
| Dateien geändert am: | 29.07.2024 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 30.04.2024 | |||||||
| Datum der Promotion: | 10.07.2024 |
