Translationale Regulation der Expression bei Arginin-Decarboxylase Transkripten von Landpflanzen

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Lahaye
• Fachliche Zuordnung: Organismische Interaktionen, chemische Ökologie und Mikrobiome pflanzlicher Systeme
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462699679

Polyamine (PA) sind Metaboliten mit zwei oder mehr Aminogruppen, die sowohl in Eukaryoten, Prokaryoten als auch in Archaeen vorkommen. Ihr ubiquitäres Vorkommen impliziert bereits, dass PA für lebende Zellen zwingend notwendig sind. Während ihre Biosynthese bereits gut verstanden ist, fehlt ein einheitliches Konzept, dass ihre molekulare Rolle erklärt. In Pflanzen, katalysiert die Arginin-Decarboxylase (ADC) die Synthese von Putrescin, dem Vorläufer alle PA. Unlängst konnten wir zeigen, dass das bakterielle Phytopathogen Ralstonia solanacearum einen sogenannten TALE (transcription activator-like effector) in pflanzliche Wirtszellen einschleust, der die Transkription der ADC-Gene aktiviert, wodurch es zu einer deutlichen Erhöhung der PA-Mengen in der Pflanze kommt. Das TALE Protein bindet innerhalb eines 50 bp-Motivs upstream der ADC-Gene, welches in allen Landpflanzen konserviert ist und als ADC-Box bezeichnet wird. In nativen ADC-Transkripten ist diese ADC-Box Teil der 5’UTR. Laut Vorhersagen bildet die ADC-Box eine Haarnadelstruktur aus, die vermutlich die Bewegung des Ribosoms auf der mRNA in Richtung des AUG-Startcodons inhibiert. In Übereinstimmung mit diesem Modell konnten wir zeigen, dass die ADC-Box die Translation der ADC-Transkripte bei hohen PA-Mengen inhibiert. Das gibt Grund zur Annahme, dass die ADC-Box Teil eines autoregulatorischen Kontrollsystems ist, dass die PA-Homöostase aufrechterhält. Im Rahmen dieses Antrages wollen wir die molekulare Basis dieser translationalen Regulation der ADC-Transkripte in Landpflanzen aufklären. Der Antrag ist dabei thematisch in 2 Teile untergliedert:1.) Identifizierung von Sequenzelementen innerhalb der 5’UTRs der ADC-Transkripte, die an der Expressionsregulation in den pflanzlichen Modellsystemen Tomate und Arabidopsis beteiligt sind. Dafür wollen wir ADC-Mutanten mittels CRISPR- oder gerichteter Mutagenese generieren und analysieren.2.) Identifizierung zellulärer Komponenten, die die Translation der ADC-Transkripte kontrollieren. Hier werden Reporter-basierte Ansätze genutzt, um Proteine und/oder Metabolite zu identifizieren, die die Translation der ADC-Transkripte beeinflussen. Komplementiert werden soll dieser Ansatz mit Interaktionsstudien, um regulatorische Komponenten zu isolieren, die an die 5’UTR der ADC-Transkripte binden.Unsere Studien werden Licht in die Komplexität der Regulation der ADC-Transkripte und der PA-Homöostase bringen. Mit dem Wissen um die mechanistischen Prinzipien dieser Regulation, können wir identifizierte PA-Sensoren des Regulationsnetzwerkes nutzen, um genetisch kodierte PA-Biosensoren zu konstruieren. Solche Biosensoren werden uns in die Lage versetzen, Änderungen von PA-Konzentration in vivo mit einer großen räumlichen und zeitlichen Auflösung zu beobachten. Die genetisch-kodierten PA-spezifischen Biosensoren sind somit Schlüsselwerkzeuge, um in der Zukunft PA-regulierte biologische Prozesse in Zellen aufzuklären.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen