Teilprojekt B02: Von dynamischen Entwicklungssignalen zu stabilem Stammzellverhalten

Leitung:

Prof. Dr. Jan Lohmann

Universität Heidelberg

Centre for Organismal Studies Stammzellbiologie

Im Neuenheimer Feld 230, 69120 Heidelberg

Tel 06221 - 54 6269

Fax 06221 - 54 6424

jan.lohmannspam prevention@cos.uni-heidelberg.de

Zusammenfassung:

Pflanzliche Stammzellen sind permanent aktiv, weshalb der Regulation ihrer Anzahl eine zentrale Bedeutung für die erfolgreiche Entwicklung und Adaption einer Pflanze an ihr Habitat zukommt. Hierbei spielen dynamische Signale auf lokal transkriptioneller, sowie organismusweit hormoneller Basis eine wichtige Rolle. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts werden wir am Modell der zellulären Antwort auf das zellteilungsstimulierende Phytohormon Cytokinin erforschen, wie in der apikalen Stammzellnische räumlich-zeitlich fluktuierende Signale in stabiles Zellverhalten translatiert werden können.

Wir haben kürzlich entdeckt, dass zwei Cytokininantwortgene der A-Typ ARABIDPOSIS RESPONSE REGULATOR (ARR) Familie, ARR7 und ARR15, nicht nur direkt durch den stammzellregulatorischen Transkriptionsfaktor WUSCHEL (WUS) reprimiert werden, sondern auch Phytohormonsignale in der Form von Auxin- und Cytokinin integrieren. A-typ ARRs kodieren für kleine, kernlokalisierte Proteine und werden durch einen cytokininabhängigen Phosphorelay nicht nur transkriptionell aktiviert, sondern auch posttranslational durch Phosphorylierung modifiziert. Der Mehrzahl der A-typ ARRs kommt eine negative Rolle in der Cytokininsignaltransduktion zu und ihre korrekte räumlich-zeitliche Funktion ist essentiell für die Aktivität der Stammzellnischen in Spross und Wurzel. Trotz dieser wichtigen Funktionen liegen die Wirkmechanismen der A-Typ ARR Proteine weiter im Dunkeln.

Wir schlagen nun vor, die A-Typ ARR Funktion auf molekularer und genetischer Ebene aufzuklären. Hierzu werden wir zwei unabhängige aber konvergente Ansätze verfolgen. Zum Einen werden wir die von uns kürzlich entdeckte Interaktion von ARR7 mit MGOUN1 (MGO1), einer Typ IB Topoisomerase mit meristemrelevanter Aktivität untersuchen. Da Klasse I Topoisomerasen auf der einen Seite mit der basalen Transkriptionsmaschinerie interagieren und für die transkriptionelle Elongation wichtig sind und auf der anderen Seite Nukleosomenpositionierung und Chromatinlooping modulieren, ist unsere Arbeitshypothese, dass ARR7 durch die Interaktion mit MGO1 sein genregulatorisches Potential ausübt. Diese Hypothese werden wir mit genetischen, genomischen, mikroskopischen und biochemischen Experimenten testen um zu verstehen welche ARRs mit Topoisomerasen interagieren können, wie Topoisomerasen durch ARRs gesteuert werden und welche Zielgene von beiden kontrolliert werden.

In einem zweiten Ansatz werden wir durch genetische Ansätze neue Faktoren identifizieren die im ARR7 Signalweg aktiv sind. Hier werden phänotypisch unauffällige arr7 Mutanten als Ausgangsmaterial dienen, die ein vom Wildtyp erheblich abweichendes Genaktivitätsmuster aufweisen, was darauf schließen lässt, dass das ihr Entwicklungsprogramm destabilisiert ist. Daher sollte es in diesem sensitiven Hintergrund möglich sein neue Mutationen zu identifizieren, die unter anderen Umständen keinen offensichtlichen Phänotypen hervorrufen würden. Aufgrund der beschriebenen Integratorfunktion von ARR7 erwarten wir sowohl Pflanzen mit Defekten im Grundprogramm der Entwicklungssteuerung zu finden, als auch solche, deren Antwort auf Umweltreize oder Hormonsignale gestört ist.

Die Ergebnisse beider konvergenter Ansätze werden wichtige Einblicke in die genetische Vernetzung des A-Typ ARR Signalwegs und die mechanistischen Grundlagen seiner Funktion mit Fokus auf der Regulation der Chromatinstruktur gewähren. Somit werden wir die Frage nach der Spezifität eines Signalprozesses sowohl auf der Seite des Informationseingangs, der ARR-MGO1 Interaktion, dem Niveau der Informationsverarbeitung, also der MGO1 Aktivitätssteuerung, sowie auf der Seite der Informationsausgabe durch die Selektion von Zielgenen beantworten können. Langfristig wollen wir durch diese Studien die Mechanismen aufklären, welche dynamische Entwicklungs- und Umweltsignale im Sprossmeristem dekodieren und integrieren und somit in stabiles Stammzellverhalten translatieren.