Általános biokémia és anyagcsere (Orvosi és Biológiai Tudományok Kollégiuma)
100 %
Ortelius tudományág: Molekuláris biológia
zsűri
Genetika, Genomika, Bioinformatika és Rendszerbiológia
Kutatóhely
Növénybiológiai Intézet (HUN-REN Szegedi Biológiai Kutatóközpont)
résztvevők
Kozma-Bognárné Hajdu Anita Szabóné Veres Gabriella Terecskei Kata
projekt kezdete
2013-01-01
projekt vége
2016-06-30
aktuális összeg (MFt)
31.680
FTE (kutatóév egyenérték)
6.69
állapot
lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A cirkadián óra egy olyan biokémiai időzítő szerkezet, amely ritmikusan szabályoz számos molekuláris és élettani folyamatot olyan módon, hogy azok mindig a legmegfelelőbb napszakra essenek. Növényekben az óra központi oszcillátorát az óragének/fehérjék építik fel, amelyek visszacsatolt transzkripciós-transzlációs mechanizmusok révén szabályozzák egymás és önmaguk működését. Az oszcillátort elsősorban külső fényjelek igazítják a valós időhöz (input), míg a ritmikus szabályozó jelek a kimeneti oldalon keresztül érik el az adott célfolyamatot. Az oszcilláció létrehozásának alapja ugyan a transzkripció ritmikus szabályozása, de az órafehérjék másodlagos módosítása (pl. foszforiláció) fontos az óra megfelelő működéséhez. Korábbi projektünk keretében izoláltunk egy új cirkadián mutánst Arabidopsis-ban. A mutáns rövid szabadonfutó periódust mutatott. Genetikai térképezést követő komplementációval igazoltuk, hogy a mutáció egy eddig ismeretlen génben történt, amely valószínűleg egy acil-transzferáz enzimet kódol. A jelenlegi projekt fő célja a mutáns részletes molekuláris és élettani jellemzése, valamint ezen új biokémiai funkció elhelyezése a növényi cirkadián óra jelenlegi modelljében. Ezen túlmenően, előzetes kísérleteink arra utalnak, hogy az enzim szerepet játszik a szalicil-sav felhalmozódásban megfelelő indukciót követően. Irodalmi adatok ugyanakkor valószínűsítik, hogy a szalicil-sav jelátvitel hatással lehet az óra működésére. Mindezek alapján további célunk ezen feltételezett szabályozási lépések vizsgálata és annak eldöntése, hogy az általunk felfedezett acil-transzferáz milyen szerepet játszhat annak lebonyolításában.
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. Előzetes munkánk során két alapvető megfigyelést tettünk: az újonnan felfedezett acil-transzferáz mutációja hatással van a cirkadián óra működésére és a szalicil-sav függő gének indukciójára. Kísérleteink első csoportja arra a kérdésre keresi a választ, hogy pontosan mely órakomponenseket érinti az acil-transzferáz működése és pontosan mi ennek a hatásnak a molekuláris mechanizmusa. Hasonlóképp, a kísérletek következő csoportja azt tisztázza, hogy pontosan mi a szerepe az acil-transzferáznak a szalicil-sav bioszintézisben vagy jelátvitelben. Végül megkíséreljük összekötni a kutatás e két vonalát, és kísérletes úton eldönteni, hogy vajon a szalicil-sav által irányított jelátvitel hatással van-e az órára és vajon az általunk felfedezett acil-transzferáz milyen szerepet játszik ebben.
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! A jelen kutatás jelentőségét egyrészt az órát szabályozó új biokémiai mechanizmus leírása adja. Másrészt, megmutatjuk, hogy egyfajta kölcsönös szabályozás létezik az óra és egy patogének elleni védekezésben fontos szerepet játszó növényi hormon, a szalicil-sav között. Eredményeink alapján jobban megérthetjük a cirkadián óra molekuláris szintű működését és azokat a folyamatokat, amelyek révén az óra kölcsönhat más jelátviteli utakkal.
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 cirkadián óra egy molekuláris időzítő mechanizmus, amely olyan módon szabályoz számos élettani folyamatot, hogy azok mindig a legmegfelelőbb napszakra essenek. A cirkadián órák alapvető motorja az ún. óragének közti transzkripciós szabályozás, de az órafehérjék módosítása is fontos a megfelelő működéshez. Csoportunkban felfedeztünk egy új fehérjét, amely hatással van a növényi cirkadián óra sebességére. Ilyen típusú fehérjét még soha nem hoztak funkcionális kapcsolatba a növényi órával. Kísérleteink során kiderítjük, hogy az általunk felfedezett fehérje pontosan milyen módon hat az ismert óragénekre-fehérjékre. Ezen túlmenően felfedeztük, ugyanez a fehérje hatással van egy növényi hormon, a szalicil-sav felhalmozódására is. Ennek megfelelően ennek a szabályozásnak az alapjait is feltárjuk. A szalicil-sav fontos szerepet játszik bizonyos kórokozók elleni védekezésben, de stressz-válaszokkal kapcsolatban is leírták már jótékony hatását. Megvizsgáljuk annak lehetőségét is, hogy milyen kereszt-szabályozás létezhet a cirkadián óra és a szalicil-sav akkumuláció között. E két fontos jelátviteli rendszer összefonódása fontos lehet pl. a növényi védekezési mechanizmusok optimális időzítésében.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. 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. Although the basic oscillation is thought to be generated at transcriptional level, controlled modification of clock proteins (e.g. phosphorylation) is essential for proper clock function. We have identified a novel clock mutant in Arabidopsis thaliana. The mutant shows short period rhythms of CAB2:LUC expression. Genetic mapping and complementation tests indicated that the mutation affects a predicted acyl-transferase. The aim of the present project is the detailed characterization of this mutant in order to integrate this novel biochemical function in the current model of the plant circadian clock. Our preliminary data indicates that the enzyme is involved in salicylic-acid accumulation and literature data suggest mutual interaction of clock and salicylic-acid signaling pathway. We aim to investigate this possible interaction and to test the potential role of the novel acyl-transferase in this process.
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 two basic preliminary observations are: the mutation of the identified acyl-transferase affects the function of the circadian clock and salicylic-acid-dependent gene expression. We will perform experiments to reveal the particular components of the oscillator affected by the mutation and to understand the molecular mechanism underlying this effect. Similarly, a different set of experiments is aimed to clarify the role of the enzyme in salicylic-acid-mediated signaling. Finally, the last group of experiments will test if salicylic acid biosynthesis/signaling affects the clock and will clarify the role of the acyl-transferase in this process.
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 the proposed research is two-fold. First, we will add a novel regulatory mechanism to the tool-box of the plant circadian clock. Second, we will show if there is mutual interaction between the circadian clock and the plant defense hormone salicylic-acid. Our results will lead to a better understanding of the clockwork in plant and more importantly, will illustrate a novel type of interplay between the clock and an important plant defense mechanism.
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. Circadian clocks are molecular timing mechanisms that regulate a wide range of physiological processes in order to time their appearance to the most appropriate time of the day. Circadian clocks are primarily operated by transcriptional cross-regulation among the so-called clock genes, but modification of clock proteins is also very important for normal clock function. We have discovered a novel protein, which has an effect on the speed of the plant circadian clock. This type of proteins were never been linked to the circadian clock. Therefore, we will perform experiments to reveal the mechanism by which this protein regulates the clock. Moreover, we found that the very same protein affects the accumulation of salicylic-acid, which is an important hormone defending plants against pathogens. Therefore we will investigate the mechanism, by which salicylic-acid accumulation is affected. We will also test the potential link between clock regulation and salicylic-acid accumulation. Cross-talk of these two signaling systems could be important for optimal timing of the plant defense mechanism.
Zárójelentés
kutatási eredmények (magyarul)
A cirkadián órák 24 h periódussal, önfenntartó módon oszcilláló genetikai hálózatok, amelyekben az óragének/órafehérjék kölcsönösen szabályozzák egymás kifejeződését. Az elsődleges ritmus az óragének kifejeződésének szintjén jelenik meg, majd jelátviteli utakon keresztül érvényesül számos molekuláris (pl. génkifejeződés) vagy összetett élettani folyamat (pl. hormonális szabályozás) megfelelő napszakra történő időzítésében. A szabályozott folyamatok sokszor visszahatnak az oszcillátor működésére, létrehozva azt a bonyolult, többszintű szabályozási struktúrát, amit cirkadián rendszernek nevezünk.
Munkánk során azonosítottunk és jellemeztünk egy olyan új növényi gént/fehérjét (RS24) lúdfűben (Arabidopsis thaliana), amely szabályozza az oszcillátor működését, ugyanakkor szerepet játszik a szalicilsav (SA) növényi hormon által irányított jelátvitelben is. Élettani, genetikai és molekuláris biológiai módszereket kombinálva és az eredmények bioinformatikai elemzésével kiderítettük, hogy az RS24 a CCA1 transzkripciós faktorral közös komplexben fordul elő in vivo. A CCA1 a növényi óra egyik kulcskomponense. Kimutattuk, hogy az RS24 közvetett módon pozitívan modulálja a CCA1 DNS-kötő képességét és igazoltuk, hogy ez az a molekuláris mechanizmus, amely által az RS24 szabályozza az óra működését. Bizonyítottuk, hogy az RS24 fehérje acil-transzferáz aktivitással bír, ami nem szükséges a fehérje cirkadián funkciójához, de esszenciális a SA felhalmozódás gátlásában játszott szerepéhez.
kutatási eredmények (angolul)
Circadian clocks are formed by networks of clock genes and clock proteins and are capable self-sustained oscillations at the level of clock gene expression with about 24h period. This primary oscillation temporally modulates numerous processes, ranging from gene expression to complex traits like photomorphogenesis or hormonal signalling in plants, so that particular processes are scheduled to the most appropriate time of the day. The controlled processes can feed back to the oscillator (e.g. hormonal regulation of clock components), forming an intricate, multilevel regulatory structure that we call circadian system.
We identified a novel gene/protein (RS24) in the model plant Arabidopsis thaliana that affects the function of the circadian clock, but also plays a role in the signalling cascade governed by the plant hormone salicylic acid (SA). Using the combination of physiological, genetic and molecular biology approaches and bioinformatics analyses we demonstrated that RS24 forms a tripartite protein complex with the CCA1 transcription factor, which is a key component of the clock. We showed that RS24 indirectly enhances the DNA binding activity of CCA1, which is the way how RS24 affects the function of the clock. We verified that RS24 functions as an acyltransferase and demonstrated that this activity is dispensable for its circadian function, but is essential for its role in the inhibition of SA accumulation.
Terecskei K, Toth R, Gyula P, Kevei E, Bindics J, Coupland G, Nagy F, Kozma-Bognar L: The Circadian Clock-Associated Small GTPase LIGHT INSENSITIVE PERIOD1 Suppresses Light-Controlled Endoreplication and Affects Tolerance to Salt Stress in Arabidopsis, PLANT PHYSIOL 161: (1) 278-290, 2013
Hajdu A, Adam E, Sheerin DJ, Dobos O, Bernula P, Hiltbrunner A, Kozma-Bognar L, Nagy F: High-level expression and phosphorylation of phytochrome B modulates flowering time in Arabidopsis., PLANT J 83: (5) 794-805, 2015
Binkert M, Kozma-Bognar L, Terecskei K, De Veylder L, Nagy F, Ulm R: UV-B-Responsive Association of the Arabidopsis bZIP Transcription Factor ELONGATED HYPOCOTYL5 with Target Genes, Including Its Own Promoter, PLANT CELL 26: (10) 4200-4213, 2014
Novak A, Boldizsar Á, Adam É, Kozma-Bognar L, Majláth I, Baga M, Toth B, Chibbar R, Galiba G: Light-quality and temperature-dependent CBF14 gene expression modulates freezing tolerance in cereals, J EXP BOT 67: (5) 1285-1295, 2016
Terecskei K, Tóth R, Gyula P, Kevei E, Bindics J, Coupland G, Nagy F, Kozma-Bognár L.: The circadian clock-associated small GTPase LIGHT INSENSITIVE PERIOD1 suppresses light-controlled endoreplication and affects tolerance to salt stress in Arabidopsis., Plant Physiology 161:278-90., 2013
Binkert M, Kozma-Bognar L, Terecskei K, De Veylder L, Nagy F, Ulm R: UV-B-Responsive Association of the Arabidopsis bZIP Transcription Factor ELONGATED HYPOCOTYL5 with Target Genes, Including Its Own Promoter, PLANT CELL 26: (10) 4200-4213, 2014
Terecskei K, Toth R, Gyula P, Kevei E, Bindics J, Coupland G, Nagy F, Kozma-Bognar L: The Circadian Clock-Associated Small GTPase LIGHT INSENSITIVE PERIOD1 Suppresses Light-Controlled Endoreplication and Affects Tolerance to Salt Stress in Arabidopsis, PLANT PHYSIOL 161: (1) 278-290, 2013
