light, phytochrome A, signal transduction, protein degradation, transcription, multiprotein regulatory complexes
Discipline
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants
Ádám, Éva Fejes, Erzsébet Gyula, Péter Medzihradszky, Mátyás
Starting date
2006-02-01
Closing date
2009-01-31
Funding (in million HUF)
36.000
FTE (full time equivalent)
5.14
state
closed project
Summary in Hungarian
A fitokrómok vörös/távoli vörös hullámhosszon elnyelő fényreceptorok, amelyek az uralkodó fényviszonyoknak megfelelően szabályozzák a növények növekedését és fejlődését. Az Arabidopsis genomban 5 fitokróm-gén található (PHYA-E). A fitokrómok polipeptid-lánconként egy kovalensen kötött, nyitott tetrapirrol kromofórt hordozó dimerek. Sötétben szintetizálódnak inaktív Pr (vörös fényt elnyelő) formában, amely fotonabszorpcióval alakul át az aktív Pfr (távoli vörös fényt elnyelő) formává. A PHYA Pfr formája fényben labilis, míg a PHYB-E Pfr formájának stabilitása kevéssé fényfüggő. A PHYA konformációváltozásán és Pfr formája gyors lebomlásán kívül a fény (1) modulálja a PHYA nukleo-citoplazmatikus megoszlását oly módon, hogy kiváltja a sejtmagba való transzportját és szubnukleáris fehérjekomplexumokba való beépülését, (2) elősegíti transzkripciós faktorokkal való, konformáció-függő kölcsönhatását, (3) megváltoztatja foszforilációs állapotát és kináz-aktivitását és (4) inaktiválja a COP1 (konstitutív fotomorfogenezis 1) fehérjét, amely egy E3 ubiquitin ligáz, a fotomorfogenezis egyik fő negatív regulátora. Jelenleg kevéssé ismert, hogy a PHYA-vezérelte jelátvitel milyen molekuláris mechanizmusokkal indítja el az Arabidopsis genom kb. 10%-ának kifejeződését moduláló transzkripciós kaszkádot. A pályázatban leírt kísérletek célja annak vizsgálata, (1) hogyan inaktiválja a PHYA a COP1-et, (2) mi a PHYA-tartalmú szubnukleáris sejtmagi komplexumok összetétele és biológiai funciója.
Summary
Phytochromes are red/far-red absorbing photoreceptors that regulate plant growth/development in response to environmental light clues. Arabidopsis phytochromes are encoded by 5 genes (PHYA-E). Phytochromes are dimers carrying covalently linked open-chain tetrapyrrol chromophores. They are synthesized in the dark in their inactive Pr (red-light absorbing) form, converted into the active Pfr (far-red light absorbing) form by photon absorption. The Pfr form of PHYA is light labile, whereas stability of the Pfr forms of PHYB-E is not significantly affected by light. Beyond causing conformation change and rapid degradation of PHYA, light also (i) modulates the nucleo-cytoplasmic distribution of PHYA by inducing its translocation into the nucleus and formation of subnuclear protein complexes, (ii) promotes its conformation-dependent interaction with transcription factors, (iii) alters its phosphorylation status/kinase activity and (iv) induces inactivation of the COP1 (constitutive photomorphogenesis 1) protein, an E3 ubiquitin ligase, a major negative regulator of photomorphogenesis. The exact molecular mechanism of how these early steps of PHYA-controlled signalling launch transcriptional cascades modulating the expression of ca. 10% of the Arabidopsis genome is poorly understood. The objective of our proposal is to study (i) the molecular mechanism by which PHYA inactivates COP1; (ii) the biological function and components of the sub-nuclear protein complexes containing PHYA.
Final report
Results in Hungarian
Megállapítottuk, hogy rövid PHYA N-terminális fragmentumok képesek az FHY1/FHL fehérjékkel konformációfüggő módon kölcsönhatásba lépni és fényindukált módon a sejtmagba transzportálódni. Kimutattuk, hogy ezek a PHYA N-terminális fragmentumok azonban nem képesek funkcionális fotoreceptorként működni, és hogy a PHYA fényindukált proteolízisét és sejtmagba irányuló transzportját a fehérje különböző doménjei közvetítik. Nevezetesen az első 406 aminosav alkotta fragmentum elégséges a PHYA fotoreceptor fényindukált sejtmagi transzportjához, míg a 406-686 aminosavakat tartalmazó PHYA fragmentum szükséges a fotoreceptor fényindukált proteolíziséhez.
A PHYA fotoreceptort tartalmazó sejtmagi komplexek jellemzésére olyan mutánsokat izoláltunk, amelyekben a PHYA komplexek kialakulása markánsan eltér a vad típusban leírttól. Genetikai térképezéssel és szekvenálással bizonyítottuk, hogy a mutánsok egy csoportjában a mutációk nem a PHYA génben lokalizáltak. E mutánsokban a fúziós PHYA fehérje ugyan degradálódik fény hatására, de a mutánsok hiposzenzitívek távoli vörös fényben, és nem mutathatók ki PHYA-tartalmú sejtmagi komplexek. Mostanra befejeztük hat mutáns részletes genetikai térképezést és az egyes mutációkat pozícióját kb. 150-200 kb-nyi pontossággal behatároltuk. A genetikai térképezés alapján biztosak vagyunk abban, hogy ezek a mutációk olyan géneket érintenek, amelyek eddig nem voltak összefüggésbe hozhatók a PHYA-tartalmú sejtmagi komplexek kialakulásával és működésével.
Results in English
We provided evidence that, although they cannot function as active photoreceptors, short N-terminal fragments of the photoreceptor PHYA interact in a conformation-dependent fashion with the transport proteins FHY1-FHL and translocate into the nucleus in a light-induced manner. In addition we documented that light-induced nuclear import and rapid degradation of these PHYA N-terminal fragments can be separated and mediated by different domains of the molecule. The short, far N-terminal 406 fragment is sufficient for light-induced nuclear import, whereas the domain between 406-686 is required for light-induced rapid degradation of the PHYA protein.
We performed a novel genetic screen to isolate mutants displaying aberrant formation of nuclear bodies containing the photoreceptor PHYA. We provided evidence by genetic mapping and DNA sequencing that in a group of mutants the mutations do not localise in the PHYA gene. In these mutants light induces rapid degradation of the PHYA/YFP fusion protein, yet the mutants are hyposensitive to far-red light and we were unable to detect formation of PHYA/YFP containing nuclear bodies. We have completed detailed genetic mapping of these lines and positioned the mutations to 150-200 kb genomic fragments. Based on their map positions we conclude that these mutations will define novel components required for the formation or stabilization of PHYA-containing nuclear bodies.
Domagolska M, Schomburg F, Amasino R, Vierstra R, Nagy F, Davis S: Attenuation of brassinosteroid signaling enhances FLC expression and delays flowering, Development 134: 2841-2850, 2007
Kevei E, gyula p, Feher B, Toth R, viczian A, Kircher S, Rea D, Dorjgotov D, Schafer E, Millar J, Kozma-Bognar L, Nagy F: Arabidopsis thaliana circadian clock is regulated by the smal GTP-ase LIP1, Current Biology 4: 1456-1464, 2007
Kevei E, Schafer E, Nagy F: Light-regulated nucleo-cytoplasmic partitioning of phytochromes, Journal of Experimental Biology 58: 3113-3124, 2007
Mira-Rodado V, Sweere U, Grefen C, Kunkel T, Fejes E, Schafer E, Nagy F, Harter K: functional cross-talk between two-component and phytochrome b signal transduction in Arabidopsis, Journal of Experimental Biology 58: 2595-2607, 2007
Kerenyi Z, Merai Zs, Hiripi L, Benkovics A, Gyula P, Lacomme C, Barta E, Nagy F, Silhavy D: Inter-kingdom conservation of mechanism of nonsense-mediated mRNA decay, The EMBO Journal 27: 1585-1595, 2008
Favory JJ, Stec A, Gruber H, Rizzini L, Oravecz A, Funk M, Albert A, Cloix C, Jenkins G, Oakeley EJ, Seidlitz HK, Nagy F, Ulm R: Interaction of COP1 and UVR8 regulates UV-B-induced photomorphogenesis and stress acclimation in Arabidopsis, The EMBO Journal 28: 591-601, 2009
Pfeiffer A, Kunkel T, Hiltbrunner A, Neuhaus G, Wolf I, Speth V, Adam E, Nagy F, Schafer E: A cell-free system for light-dependent nuclear import of phytochrome, The Plant Journal 57: 680-689, 2009
