Does SNRK1 provide a signalling link from cellular sucrose and energy status to the regulation of cell proliferation by direct regulation of the RBR E2F transcriptional complex?
Van-e közvetlen molekuláris kapcsolat az energia szenzor SnRK1 és a sejtosztódást irányító E2F-RBR transzkripciós mechanizmus között?
Title in English
Does SNRK1 provide a signalling link from cellular sucrose and energy status to the regulation of cell proliferation by direct regulation of the RBR E2F transcriptional complex?
Keywords in Hungarian
SnRK1, E2F-RBR1, növekedés, sejtosztódás, cukor,
Keywords in English
SnRK1, E2F-RBR1, available nutrient, growth, cell proliferation
Discipline
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
60 %
Ortelius classification: Molecular biology
Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)
40 %
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Starting date
2013-09-01
Closing date
2016-08-31
Funding (in million HUF)
22.331
FTE (full time equivalent)
1.20
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Az élőlények növekedése alapvetően a sejtosztódás mértékétől függ, amelyet döntően befolyásol a rendelkezésre álló tápanyag. Nincs ez másképp a növények esetében sem, mégis keveset tudunk arról, hogyan, milyen molekuláris csatornákon keresztül képesek összekapcsolni ezeket a növekedést meghatározó folyamatokat. A kollaborációban résztvevő laboratóriumok ezeknek a folyamatoknak a szakértői: Prof Koncz által vezetett csoport kutatásainak a középpontjában az SnRK1 nevű kináz molekula áll, amely a tápanyag, cukor szignál központi szabályozója, míg Dr Magyar a sejtosztódás szabályozásában kulcsszerepet játszó E2F-RBR1 transzkripciós molekuláris mechanizmust kutatja. Korábbi együttműködésük eredményeképpen felfedezték, hogy az RBR1 fehérje a cukor mennyiségétől függően különböző E2F transzkripciós faktorokkal lép komplexbe; amelyet egy másik szabályozó molekula, az S6K is befolyásolhat. Az E2F és RBR1 fehérje molekulák stabilitása cukor hiányában gyengül, mert aktíválódnak a 26S proteoszomán keresztül történő lebontási folyamatok. Az SnRK1-ről kimutatták, hogy képes kapcsolódni a lebontási folyamatokban meghatározó szerepet játszó SCF ubiquitin ligáz komplex Skp1 komponenséhez és foszforiláció révén szabályozza annak működését. Feltételezésük szerint, az SnRK1 regulálja az E2F-RBR1 komplexek komponenseinek is a stabilitását.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A fő kérdésünk, mi a kapcsolat a cukor-energia szenzor SnRK1 és a sejtosztódást reguláló E2F-RBR1 szabályozási mechanizmusok között? A növények fő tápanyag forrása a fotoszintézis által termelt cukor (szacharóz), amely pozitívan szabályozza a növekedést a ciklin D nevű szabályozó fehérjék stimulálásán keresztül. Kimutattuk, hogy a ciklin D fehérjék által aktivált kináz (CDK) molekula az RBR1-et foszforilálja, és az RBR1 foszforilációja a cukor mennyiségével szoros összefüggésben áll. Az RBR1 és a vele komplexet létrehozó E2FA, E2FB és E2FC transzkripciós faktorok a 26S proteoszóma aktív közreműködésével gyorsan lebomlanak cukor hiányában. Az SnRK1 kináz cukor hiányos körülmények között aktiválódik, és a Koncz laboratórium kutatásai kimutatták, hogy az SnRK1 komplexet formál az Skp1 nevű fehérjével, amely a lebontási folyamatokban fontos szerepet játszó SCF komplex komponense. Az SnRK1 foszforiláció révén képes szabályozni az SCF E3 ligáz működését. Miután az E2F-RBR1 fehérjék lebontási folyamataiban is részt vesz az SCF, és annak integráns része az Skp1, ezért úgy véljük, hogy az SnRK1 szabályozhatja az E2F és RBR1 fehérjék stabilitását is.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Az együttműködés jelentősége abban áll, hogy kapcsolatot hoz létre a növényi növekedést szabályozó alapvető molekuláris jelátviteli folyamatok között, hogyan kommunikálhatnak egymással, amelyek eddig nem voltak ismertek. A két egymással együttműködő csoport rendelkezik mind azokkal az eszközökkel (transzgenikus és mutáns vonalak), amelyek révén választ találhatnak arra a kérdésre, hogyan regulálja a tápanyag-cukor szignál az E2F-RBR1 komplexek működését és ebben az SnRK1 kináznak mi a szerepe. Hosszú távon a kutatásoknak gazdasági jelentősége is lehet, hiszen a növekedés folyamatok megértése a gazdasági jelentőséggel bíró növények számára is hasznos információval szolgálhat.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A növények növekedését meghatározó szabályozási mechanizmusok megértése napjainkban különösen fontossá vált, amikor a Föld lakossága ugrásszerűen nő és a környezeti változások is kedvezőtlenül alakulnak. A növények növekedését alapvetően a sejtosztódás és a sejtmegnyúlási folyamatok határozzák meg, amelyeket azonban a tápanyag (cukor) készlet döntően képes befolyásolni. A növények képesek összehangolni növekedésüket és a rendelkezésre álló erőforrásaikat, tápanyagkészletüket, de pontosan milyen jelátviteli csatornákon történik mindez az nem ismert. A pályázatban együttműködő csoportok ezeket a jelátviteli folyamatokat kutatják. Korábbi kutatásaik arra engednek következtetni, hogy a cukor érzékelésében fontos szerepet játszó SnRK1 kináz fehérje és a sejtosztódást szabályozó E2F-RBR1 transzkripciónális mechanizmus egymással közvetlen kapcsolatban áll.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Coupling growth and cell proliferation with the available nutrient and energy supply is a fundamental for cellular homeostasis, but in plants the mechanisms are little understood. The proposed collaboration between the labs of Prof Koncz, expert in the sugar signalling pathways centered on SnRK1 and the lab of Dr Magyar, an internationally recognized leader of the field of cell cycle regulation controlled by E2F/RBR transcriptional regulatory mechanism is well positioned to tackle this question and to provide breakthrough results on the field of plant growth regulation. The Magyar group recently discovered in a collaborative work with Bogre and Koncz groups that RBR1 forms complexes with different E2F transcription factors and S6K1 depending on the available sucrose level. It is known that RBR1 and E2F proteins are degraded by the 26S proteasome in nutrient limited condition. SnRK1 kinase is an evolutionary conserved energy sensor in eukaryotic cells including plants and reprogram cells under energy deprivation. A new regulatory mechanism was discovered in the Koncz lab, suggesting that SnRK1 could influence not just transcriptional changes but the activity of SCF E3 ubiquitin ligases and regulate the stability of molecular regulators involved in ethylene signalling. We aim to investigate the regulation of E2F-RBR protein stability, complex formation by SnRK1, regulation of TPS1 promoter and subsequently SNRK1 activity by the RBR1/E2F complex, and crosstalk between the SNRK1 and S6K pathways through the phosphorylation of S6K by SNRK1.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Our main question is: What is the connection between SnRK1 and the E2F-RBR1 pathways in the sucrose signaling and in the regulation of cell proliferation? Growth and proliferation is tightly controlled by available nutrients. How the RBR-E2F transcriptional regulatory mechanism is integrated into nutrient signaling? How sucrose signaling influence the function of the RBR-E2F pathway? Sucrose is a product of photosynthesis, and a major growth stimulatory signal, which is known to activate cell proliferation through increasing the expression of D-type cyclins. We have demonstrated that RBR phosphorylation on conserved sites is sucrose dependent and rely on CDK kinase regulated by CYCD3;1 and cyclin-dependent kinase inhibitor KRP2. The level of RBR1 phosphorylation (P-RBR1) strictly follows the available sucrose levels. RBR1, and all the three RBR1 interacting E2F proteins (E2FA, E2FB and E2FC) are targeted in Arabidopsis cells by the 26S proteasome pathway in nutrient limited growth conditions. SnRK1 kinase is activated by low energy or nutrient limited condition, and recently it was discovered in the Koncz lab that SnRK1 (AKIN10) in Arabidopsis associates with Skp1 (S-phase kinase protein 1) the integral member of the SCF ubiquitin-ligase complex and regulates its activity by phosphorylating their components and substrate. We suggest that SnRK1 could participate in the activation of the SCF E3 ligase complexes responsible for the degradation of RBR1-E2F proteins.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The significance of this collaborative project includes; (i) creating synergies between two leading groups working on fundamental aspects of plant growth from two different angles; nutrient signalling and regulation of cell proliferation, (ii) sharing tools such as transgenic and mutant lines that are all available, and should enable to make an immediate progress of anwering the question how nutrient signals regulate cell proliferation through the E2F-RBR pathway and what is the role of SnRK in this regulation, (iii) will open an exciting line of research that connect two regulatory mechanisms involved in sucrose signalling, (iv) both the sensing and signalling mechanisms for nutrient an energy status and the regulation of cell proliferation are key determinants for biomass production and adaptation of plant growth to environmental stress conditions, such as drought. Therefore this project should lead to fundamental discoveries that have relevance to agricultural productivity.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Plant growth is of a great economical and intellectual interest, yet the principles and underlying mechanisms are not well understood. At the cellular level growth is driven by available nutrients through the regulation of cell division and cell expansion. These processes are coordinated with external growth promoting or limiting factors by intertwined signaling cascades. The focus of Koncz and Magyar labs is to define these signaling pathways regulating gene expression and protein translation and stability, find out how these are connected to the control of cell proliferation. The synergy between these dynamic groups will open an exciting line of research that connect two regulatory mechanisms involved in sucrose signalling; the energy sensor SnRK1 module and the central cell cycle regulatory E2F-RBR pathway. The sensing and signalling mechanisms for nutrient an energy status and the regulation of cell proliferation are key determinants for biomass production and adaptation of plant growth to environmental stress conditions, such as drought. Therefore this project should lead to fundamental discoveries that have relevance to agricultural productivity. The project will provide excellent training opportunities for a PhD student in the Magyar lab.
Final report
Results in Hungarian
A projekt fő kérdése az volt, hogy vajon van-e közvetlen kapcsolat a növényi cukor- és energiaszenzor SnRK és a sejtosztódást reguláló E2F-RBR szabályozási mechanizmusa között. Kimutattuk, hogy az Arabidopsis RBR az AKIN10-hez hasonlóan cukorszenzorként működik, amely a növekedés és sejtosztódás mértékét az éppen aktuális energiaszinthez hangolja. Az RBR cukorszegény merisztematikus sejtekben aktiválódik, míg cukor jelenlétében hiperfoszforilálódik és inaktiválódik. Kimutattuk, hogy az RBR reggel, a diurnális ciklus során szinte percek alatt foszforilálódik, amiért a fény lehet a felelős, ám ez a szabályozás működő kloroplasztiszok nélkül inaktiválódik. Felfedeztük, hogy az AKIN10 és az RBR fehérjék egymással komplexbe lépnek, azonban a komplex kialakulását a cukorhiányos állapot gátolja. Feltételezzük, hogy az SnRK1 az RBR fehérjével alkotott komplexben a normális növényi fejlődésben játszik szabályozó szerepet. A cukor- és energiahiányos állapot növeli az SnRK1 komplex mennyiségét, a különböző alegységekben viszont eltéréseket figyeltünk meg. Kimutattuk, hogy a TPS II-es családba tartozó fehérjék (TPS5, 7, 10) is a komplex integráns részei, ami új felfedezés. A cukor- és energiahiányos állapot az RBR fehérje mennyiségét az AKIN10 aktivátásától függően befolyásolja. Megállapítottuk, hogy az AKIN10 és az RBR több ponton is kapcsolatban áll egymással, így együtt szabályozzák a növények növekedését mind normális, mind stresszkörülmények között.
Results in English
The main question of this co-operative project was: what is the connection between SnRK1 and the E2F-RBR1 pathways in sucrose signalling and in the regulation of cell proliferation? Similarly to AKIN10, the RBR activity is tightly regulated by available nutrients (sucrose) that determines whether meristematic cells enter or leave the cell cycle. We revealed that RBR is rapidly phosphorylated during the diurnal cycle when the light period has just started but functional chloroplasts were required to maintain this level of phosphorylation during the day. We demonstrated that the RBR and AKIN10 proteins make complexes with each other but surprisingly this complex was less stable in nutrient-energy limited than in nutrient rich conditions. We suggest that the AKIN10-RBR could regulate normal growth and development. The amount of SnRK1 heterotrimeric kinases was increased in nutrient limiting conditions or when the TOR-kinase was inhibited. We found trehalose-phosphate synthase proteins like TPS5, TPS7 and TPS10, the members of II class TPS family in complex with SnRK1. That indicates a regulatory role for these TPS that has not been identified yet. In starving seedlings the RBR protein level was decreased, and we found AKIN10 could regulate the accumulation level of RBR proteins. Our data indicates that these two evolutionarily conserved but functionally distinct pathways are in close connection to regulate plant growth and development in both normal and stress conditions.
Márta Deli, Csaba Koncz1, and Zoltán Magyar: The Arabidopsis retinoblastoma-related (RBR) functions in sucrose-dependent manner, Straub-Napok 2016, 2016
Márta Deli, Anikó Varga, Anita Kovács and Zoltán Magyar: Kinetins switch of E2FB from activator to repressor in the Arabidopsis root meristem, Signalling in plant development Abtracts Book, 2015
Tünde Leviczky, Binish Mohammed, Márta Deli, Aladár Pettkó-Szandtner, Anita Kovács, László Bögre and Zoltán Magyar: Dual functions of E2FB transcription factor during leaf development, Signalling in plant development Abtracts Book Brno EMBO meeting, 2015
László Bögre, Rossana Henriques and Zoltán Magyar: TOR tour to auxin, EMBO Journal 32, 1069-1071, 2013
