A növényi cirkadián óra beállításának molekuláris mechanizmusa
Title in English
The molecular mechanism of entrainment of the plant circadian clock
Keywords in Hungarian
cirkadián ritmus/óra, Arabidopsis, fény jelátvitel
Keywords in English
circadian rhythm/clock, Arabidopsis, light signal transduction
Discipline
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Ortelius classification: Molecular biology
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants
Fehér, Balázs Fejes, Erzsébet Gyula, Péter Palágyi, Andrea Terecskei, Kata
Starting date
2008-09-01
Closing date
2012-03-31
Funding (in million HUF)
22.000
FTE (full time equivalent)
7.89
state
closed project
Summary in Hungarian
A cirkadián óra egy olyan biológiai oszcillátor, amelyet az óragének és az általuk kódolt órafehérjék építenek fel negatív visszacsatoláson alapuló szabályozó hurkokat alkotva. E szabályozás következtében az órakomponensek kifejeződése kb. 24 órás oszcillációt mutat, ami közvetve számos molekuláris és élettani folyamat (génkifejeződés, alvás/ébrenlét ciklus) ritmikus szabályozásához vezet. Ez adott folyamatok adott napszakra történő precíz időzítését eredményezi, ami nagyban segíti az élő szervezetek alkalmazkodását a nappalok és éjszakák váltakozásához, de csak akkor, ha az óra által jelzett belső idő összhangban van a külső, valós idővel. Természetes körülmények között a hőmérséklet- és fényviszonyok akut változása szinkronizálja az órát a valós időhöz egyes órakomponensek aktivitásának/mennyiségének gyors megváltoztatása révén. Bár az óra élettani funkciója szempontjából alapvető fontosságú, a beállítás részletei ismeretlenek a növényi rendszerben. Pályázatunk fő célkitűzése annak a molekuláris mechanizmusnak a felderítése, amelynek révén a fény jelek beállítják a cirkadián órát az Arabidopsis thaliana modellnövényben. Kutatásaink várhatóan tisztázzák, hogy a növényi óra mely komponensei válaszolnak elsődlegesen a beállító fény jelekre, milyen molekuláris változások következnek be e komponensek állapotában és ezek milyen módon vezetnek az oszcillátor beállításához. Kísérleteink új ismeretekre vezetnek az UV-B fénynek a növényi cirkadián órára gyakorolt hatását illetően is, amelyet még nem vizsgáltak növényekben. Korábbi munkánk során azonosítottuk a lip1 mutánst, amely speciális szerepet játszik a fényindukált beállítás során, ezért a LIP1 fehérje ezirányú funkciójának megismerése újabb fontos részleteket fog feltárni a folyamat molekuláris alapjait illetően. A tervezett projekt hiánypótló jellegű, a megvalósítás során egy új indukálható növényi génexpressziós rendszert is létrehozunk, így az eredmények a kronobiológiával és növényi molekuláris biológiával foglalkozó kutatók érdeklődésére egyaránt számot tartanak. A kutatás során az általunk magas szinten és rutinszerűen használt módszereket alkalmazzuk kiemelkedő infrastrukúrális támogatás mellett. Ez, valamint a résztvevő kutatók elméleti és gyakorlati felkészülsége garantálja az eredmények elérését. A projekt alapkutatás jellegű, de az eredmények hasznosítása jobb alkalmazkodóképességű vagy módosított virágzási idejű haszonnövények nemesítése során hosszabb távon elképzelhető.
Summary
At the core of eukaryotic circadian clocks, clock genes/proteins form regulatory negative feed-back loops and generate a basic ~24h oscillation in the expression of clock components, which provides daily regulation for a wide range of processes (gene expression, sleep/awake cycle). This temporal organisation enhances the fitness of the organism only if it corresponds to the natural day/night cycles. In nature, acute changes in temperature and light conditions synchronise the clock to real time by causing prompt changes in the level/activity of certain clock components. Despite its importance for the proper function of the clock, the mechanism underlying this process (termed entrainment or resetting) remained unknown in plants. Our aim is to reveal the molecular details of light induced entrainment in the model plant Arabidopsis thaliana. The results will indicate (i) the clock components that are first affected by light and therefore could be the primary targets for resetting signals, and (ii) the sequence of the molecular events resulting in correct resetting/synchronisation of the clock to real time. UV-B is an important component of sunlight, but its effect on entrainment has not been tested yet. Our results will first report on this potential role of UV-B light. We have identified a novel circadian mutant with a unique resetting phenotype recently. Analysis of functional and physical interactions of the corresponding protein with the known clock components will provide invaluable insights in the molecular mechanism of entrainment. Our results will provide the long awaited details about light resetting in plants, but due to an innovative approach to induction of gene expression, the project will be of general interest to the Plant Community. The use of state-of-art methods, the excellent infrastructure at the BRC and the theoretical and practical expertise of the researchers will guarantee the successful implementation of the experiments.
Final report
Results in Hungarian
A növényi cirkadián óra magját, más eukariotákhoz hasonlóan, az ún. óragének alkotják, amelyek egymás működését szabályozva egy önfenntartó, mintegy 24 órás ritmust alakítanak ki saját kifejeződésük szintjén. Az óra számos alapvető életfolyamat napszakos megjelenését szabályozza, így fontos, hogy az óra működése összhangban legyen a valós idővel. A beállítás során jön létre ez az összhang. A legfontosabb beállító külső jel a fény, amelynek intenzitása hűen követi a napszakok váltakozását. Munkánk során azt vizsgáltuk, hogy a fény milyen molekuláris mechanizmusok útján állítja be az óra fázisát.
Kimutattuk, hogy a fénypulzusok által kiváltott elsődleges változás bizonyos óragének transzkripciójának tranziens indukciója, amelyet passzív módon követ az adott fehérjék mennyiségének emelkedése, ami végül az óra fázis-csúszását eredményezi. Mutánsok vizsgálatával megállapítottuk, hogy egyes óragének indukciója pozitív, ill. negatív módon szabályozza az óra fényre adott válaszának erősségét. Megállapításunkat egy új indukciós rendszer felépítésével és alkalmazásával is igazoltuk, melynek segítségével egyedei óragének tranziens indukciójának hatását vizsgálhattuk. Elsőként bizonyítottuk, hogy az UV-B fény a látható fényhez hasonló mechanizmus útján állítja be az órát és igazoltuk, hogy az óra fázisfüggő módon gátolja egyes UV-B válaszok megjelenését. Azonosítottuk a fitokróm B fotoreceptor azon doménjét, amely a fényjeleket közvetett módon az órához (óragénekhez) továbbítja.
Results in English
Circadian clocks are biochemical timing mechanisms providing temporal regulation to a wide range of molecular and physiological processes so that these processes are scheduled to the most appropriate time of the day/night cycle. In plants the central oscillator relies on transcriptional/translational feedback loops operated by the clock genes/proteins. The central oscillator is synchronized to the day/night cycle mainly by light signals (input), whereas the rhythmic signal from the oscillator is relayed via the output pathway. In this project, we have investigated the molecular mechanisms, by which light signals reset the clock.
We showed that the primary effect of light signals is the transient transcriptional activation of certain clock genes, followed by concomitant increase in protein levels leading to phase shifts of the clock. Analysis of clock mutants led to the identification of clock genes, whose induction represent positive or negative effects on the magnitude of the phase response of the clock. This was verified by the use of a novel gene expression system allowing separate induction of single (clock)genes. We have demonstrated first that UV-B light resets the clock through the same mechanism as visible light does, and provided evidences that the clock inhibits certain UV-B responses in a phase-dependent manner. Moreover, we identified the particular domain of the phytochrome B photoreceptor that relays resetting signals towards the clock.
