Characterization of the role of sumoylation in phytochrome-mediated signalling  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
108559
Type K
Principal investigator Nagy, Ferenc
Title in Hungarian A szumoiláció szerepe a fitokróm fotoreceptorok közvetítette jelátvitelben
Title in English Characterization of the role of sumoylation in phytochrome-mediated signalling
Keywords in Hungarian Fotoreceptorok, szumoiláció, fényindukált jelátvitel, fotomorfogenezis
Keywords in English Photoreceptors, sumoylation, light-induced signalling, photomorphogenesis
Discipline
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)50 %
Ortelius classification: Molecular biology
Cell genetics (Council of Medical and Biological Sciences)25 %
Ortelius classification: Molecular genetics
Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)25 %
Panel Cellular and Developmental Biology
Department or equivalent Institute of Plant Biology (Biological Research Centre Szeged)
Participants Ádám, Éva
Kozma-Bognár, László
Kozma-Bognárné Hajdu, Anita
Viczián, András
Starting date 2014-02-01
Closing date 2018-07-31
Funding (in million HUF) 63.835
FTE (full time equivalent) 5.86
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A növényeknek a dinamikusan változó környezeti fényviszonyokhoz történő optimális alkalmazkodásában fontos szerepet játszanak a vörös/távoli-vörös fényt érzékelő fotoreceptorok, a fitokrómok. Arabidopsis thaliana-ban a phyB kitüntetett jelentőségű a vörös fény által kiváltott fiziológiai válaszok szabályozásában, míg a phyE legfőbb funkciója a vörös és kék fény indukálta jelátviteli láncok működésének integrálása. Fotobiológiai értelemben a biológiailag aktív phyB Pfr és phyE Pfr molekulák száma, amely az adott fényviszonyokra jellemző vörös/távoli-vörös fény arányától függ, kvantitatívan meghatározza a fotoreceptorok kontrollálta jelátviteli láncok működését. Molekuláris szinten a phyE Pfr kontrollálta jelátviteli mechanizmus csak részben ismert, viszont tudott, hogy a phyB Pfr konformer fehérje-fehérje specifikus kölcsönhatások révén szabályozza az általa kontrollált jelátvitel korai lépéseit A fentiek alapján evidens, hogy azok a molekuláris folyamatok, amelyek befolyásolják (1) a phyB és phyE Pfr molekulák ill. kölcsönható partnereik mennyiségét, (2) kompartmentalizációját, valamint (3) módosítják a phyB Pfr és a kölcsönható fehérjék közötti specifikus kötést, jelentősen módosíthatják a phyB és phyE szabályozta jelátviteli láncok működésének hatékonyságát. A jelen pályázat vizsgálni kívánja, hogy a phyB Pfr, az ezzel specifikusan kölcsönható PIF (Phytochrome Interacting Factors) transzkripciós faktorok, valamint a phyE Pfr reverzibilis szumoilációja hogyan módosítja a phyB- és phyE-specifikus jelátviteli láncok szabályozását ill. ezeknek egyéb abiotikus stresszhatások (hőmérséklet, szárazság és só-stressz) által kiváltott jelátviteli láncokkal történő integrálását.

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 pályázatban leírt kutatások révén választ kívánunk kapni arra kérdésre, hogy magának a fitokróm-B (phyB) fotoreceptornak és ennek biológiailag aktív konformerével (phyB Pfr) kölcsönható, a bHLH (basic Helix-Loop-Helix) családba tartozó transzkripciós faktoroknak, a PIF (Phytochrome Interacting Factor) fehérjéknek a szumoilációja milyen mértékben módosítja a növények fotomorfogenikus válaszait az egyedfejlődés különböző fázisaiban. Előzetes eredményeink alapján tudjuk, hogy mind a phyB Pfr, mind az eddig vizsgált PIF3 transzkripciós faktor reverzibilis módon szumoilálódik in vitro és in planta, továbbá azt is megállapítottuk, hogy a phyB Pfr szumoilációja egyértelműen gátolja a fotoreceptor működését transzgenikus növényekben. Ezen eredmények birtokában meghatározni kívánjuk, hogy a phyB Pfr ill. a PIF fehérjék reverzibilis szumoilációja milyen mechanizmus révén gátolja a phyB Pfr funkcióját. Ennek megfelelően jellemezzük, hogy a szumoiláció módosítja-e a phyB Pfr sejtmagi importját, a Pfr forma stabilitását/degradációját, valamint a PIF fehérjékkel történő interakcióját. Az elmúlt évek során elfogadottá vált, hogy a szumoiláció különösen fontos szerepet játszik a növények abiotikus stressz (hősokk, szárazság, só) által indukált válaszainak manifesztálódásában. Ezért a fenti kísérletekkel párhuzamosan meghatározzuk, hogy a különböző abiotikus stresszhatások módosítják-e a phyB Pfr ill. a PIF fehérjék reverzibilis szumoilációjának mértékét, továbbá megpróbáljuk azonosítani a phyB Pfr és a PIF fehérjék deszumoilációját végző, feltehetőleg különböző SUMO proteázokat.

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 pályázatban leírt kutatások a növényi molekuláris és fotobiológia egy olyan területére irányulnak, amelyet tudomásunk szerint ezidáig nem tanulmányoztak. Így azt várjuk, hogy kutatásaink eredménye jelentős nemzetközi visszhangot fog kiváltani, és megerősíti előkelő pozíciónkat a fotoreceptorok jelátviteli láncait molekuláris szinten vizsgáló laboratóriumok között. A fotoreceptorok, így a fitokrómok is alapvető fontosságúak, mert optimalizálják a növények növekedését, alakját, méretét az adott fényviszonyokhoz, és így indirekt módon befolyásolják a fotoszintézis hatékonyságát, azaz végső soron a növények versenyképességét. A fitokrómoktól függő jelátviteli láncok működését értelemszerűen módosítják az egyéb környezeti tényezők, így a hőmérséklet, a vízellátás, a só- és tápanyag-koncentráció stb. változásai, de nagyon keveset tudunk azokról a molekuláris mechanizmusokról amelyek e jelátviteli láncok működését integrálják. Előzetes eredményeink alapján tudjuk, hogy (1) a phyB fotoreceptor szumoilációja negatívan szabályozza a fotomorfogenezist, továbbá azt, hogy (2) a PIF fehérjék szumoilálódnak in vitro és in planta. Így feltételezzük, hogy a szumoiláció valószínűleg a PIF fehérjék szintjén is interferál a phyB Pfr függő jelátviteli lánc hatékony működésével. Mivel a szumoiláció fontos szerepet játszik a hősokk, az extrém szárazság és a só-stressz által indukált jelátviteli láncok működésében, úgy véljük, hogy (3) célzott mutánsok vizsgálatával legalább részlegesen megértjük, hogy a phyB és PIF fehérjék szumoilációs szintjének manipulálása milyen módon módosítja a növények fényfüggő növekedését extrém környezeti körülmények között. Ezzel egyidejűleg tanulmányozni fogjuk a phyE reverzibilis szumoilációját is, ami számunkra különösen fontos kérdés, mivel tudjuk, hogy a phyE fontos szerepet játszik a vörös/távoli-vörös és a kék fény indukálta jelátviteli láncok integrációjában. Várakozásaink szerint a tervezett kutatások lehetővé teszik olyan gének azonosítását, amelyek a növénynemesítés új célpontjaiul szolgálhatnak olyan fontos területeken, mint az árnyékelkerülési reakció (vetéssűrűség), vagy a hő-, szárazság-, só-stresszre adott válaszok optimalizálása.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A vörös/távoli-vörös fényt érzékelő szenzorok, a fitokróm típusú fotoreceptorok fontos szerepet játszanak abban, hogy a növények maximálisan alkalmazkodjanak a környezetükben uralkodó fényviszonyokhoz. Ez többek között úgy nyilvánul meg, hogy a fitokrómok siettethetik vagy késleltethetik a virágzás idejét, vagy módosít-hatják a sejtek megnyúlását, azaz a növények méretét és alakját. A fitokróm család tagjai molekuláris értelemben vörös/távoli-vörös fény által szabályozott kapcsolókként működnek. Ezek a molekuláris kapcsolók vörös fénykezelés hatására egy bonyolult, sok lépésből álló folyamatot indítanak el, amelynek kezdeti lépéseit speciális, fehérjék közötti kölcsönhatások alkotják. A teljes folyamat végeredménye lehet pl. a növény levélméretének megváltozása. Távoli vörös fény a fitokrómok aktív formáját visszaalakítja inaktív formába, és ezzel gátolja azok biológiai hatását. A jelen pályázatban azt kívánjuk vizsgálni, hogy a fitokróm B, a fitokróm E és a velük specifikusan kölcsönható transzkripciós faktorok egy speciális módosítása, ún. szumoilációja milyen mértékben befolyásolja ezeket a kölcsönhatásokat, azaz a növény fényviszonyoktól függő növekedését. Ismert, hogy hősokk, szárazság és só-stressz hatására jelentős számú fehérje hiperszumoilálódik, ezért feltételezzük, hogy ezek az extrém környezeti hatások módosítják a fitokróm B, a fitokróm E és a velük kapcsolatban álló fehérjék szumoilációjának szintjét is, így kísérleteink révén azt is megértjük, hogy a növények milyen mechanizmus segítségével képesek összehangolni a különböző stresszhatásokra adott válaszokat a fényviszonyokhoz való optimális adaptációval.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Phytochrome photoreceptors perceiving red/far-red light play an important role in the optimal adaptation of plants to the dynamically changing light environment. In Arabidopsis thaliana, phyB is the major photoreceptor for red/far-red controlled responses, whereas phyE function is to integrate red/far-red and blue light induced physiological processes. In a photobiological sense, the operations of the signal transduction pathways are quantitatively determined by the number of biologically active phyB and phyE Pfr molecules, which depends on the red/far-red ratio (R/FR) characteristic of the given light environment. On a molecular level, the phyB Pfr conformer regulates the early steps of the phyB-controlled signal transduction pathways via specific protein-protein interactions, whereas the mode of action for phyE is less understood. Any molecular process that affects the amount of phyB and phyE Pfr molecules and the known phyB-interacting proteins, their adequate compartmentalization or modifies the binding of phyB Pfr to its interacting down-stream partners may significantly alter the efficiency of phyB or phyE-controlled signalling. In the proposed research we wish to investigate how reversible sumoylation of phyB Pfr and of the phyB-specific interacting partners, the PIF (Phytochrome Interacting Factors) transcription factors and of phyE Pfr modifies the regulation and integration of phyE- or phyB-specific signal transduction pathways with those induced by other abiotic stresses including heat, drought and salt stress.

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.

The research described in this proposal is expected to answer to what extent the sumoylation of the phyB and phyE photoreceptors themselves on the one hand, and of PIF proteins (transcription factors of the bHLH family) interacting with the biologically active conformer of phyB (phyB Pfr) on the other hand modifies the photomorphogenic responses of plants at various stages of their ontogenesis. Our preliminary experiments indicate that both phyB Pfr and the PIF3 transcription factor are reversibly sumoylated in vitro and in planta, and we have also established that sumoylation of phyB Pfr unambiguously inhibits the function of the photoreceptor in transgenic plants. Knowing these data, we wish to identify the mechanism by which the reversible sumoylation of phyB Pfr and the PIF proteins inhibits phyB function. To this end, we will investigate whether or not sumoylation modifies nuclear import, the stability/degradation of the Pfr form, or its interaction with the PIF proteins. We extend these studies to phyE, as this photoreceptor functions in the integration of red/far-red and blue light induced signalling. In the past few years it has been generally accepted that sumoylation plays an outstandingly important role in the manifestation of the abiotic stress-induced responses of plants (heat shock, drought, salt). Therefore, in parallel with the experiments above, we will determine whether or not the extent of the reversible sumoylation of phyB and phyE Pfr or the PIF proteins is modified by the various abiotic stresses, and we will also attempt to identify the SUMO protease(s) de-sumoylating phyB, phyE Pfr and the PIF 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 research described in our proposal addresses a field of plant molecular photobiology that, to our knowledge, has not been studied yet. Therefore we expect without doubt that our results will evoke considerable interest internationally, and will strengthen our favourable position among laboratories studying the molecular aspects of photoreceptor-controlled signal transduction pathways. Photoreceptors and, among them, phytochromes are of basic importance, because they optimize the growth, shape and size of plants under the given light conditions, and thereby indirectly affect the efficiency of photosynthesis and, ultimately, the competitiveness of plants. The functioning of phytochrome-dependent signal transduction pathways is evidently modified by other environmental factors such as changes in temperature, water supply, salt and nutrient concentrations etc., but very little is known about mechanisms that integrate these signal transduction pathways. Our preliminary data show that (i) sumoylation of the phyB photoreceptor negatively regulates photomorphogenesis, furthermore (2) PIF proteins are sumoylated in vitro and in planta. Thus we assume that sumoylation also interferes with the efficient functioning of the phyB-controlled signal transduction pathway on the level of the PIF proteins. Since sumoylation plays an important role in the operation of the signal transduction chains induced by heat shock, extreme drought and salt stress, we think that (3) studies on targeted mutants will help to at least partially understand how manipulations of the sumoylation level of phyB and the PIF proteins modify the light-dependent growth of plants under extreme environmental conditions. We will simultaneously study the reversible sumoylation of phyE , which is a particularly important issue, since we have obtained evidence that phyE plays a dominant role in the integration of red/far-red and blue light induced signalling cascades. We expect the planned research to make possible the identification of genes that can serve as new targets for plant breeders in important areas such as optimization of shade avoidance (plant density) and of heat shock, drought and salt stress responses.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

Phytochrome-type photoreceptors by perceiving red/far-red light play an important role in the maximal acclimatization of plants to the ambient light conditions of their environment. This means, among others, that phytochromes can advance or delay flowering time, or modify cell elongation, i.e. the size and shape of plants. The members of the phytochrome photoreceptor family play a particularly important role in the regulation of these processes. In molecular terms, phytochromes are light switches controlled by red/far-red light. These molecular switches are triggered by red light treatment to launch a complex multistep process, whose initial steps consist of protein-protein interactions. The final result of the entire process may be, for example, a change in the leaf size of the plant. Far-red light reverts the active forms of phytochromes to their inactive forms, thereby inhibiting their biological effects. In the present proposal we describe research to determine how a specific modification (sumoylation) of phytochrome B, phytochrome E and their specific interaction partners affects these interactions, in other words the light-dependent growth of plants. It has also been shown that heat shock, drought and salt stress result in the hyper-sumoylation of many proteins. Therefore we assume that these extreme environmental conditions also modify the sumoylation levels of phytochrome B, phytochrome E and their interacting partners, thus our experiments will help to understand the mechanism which harmonizes the stress responses of plants with optimal adaptation to light conditions.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A pályázat által támogatott kutatásaink során vizsgáltuk, hogy a poszt-transzlációs módosítások, jelen esetben a fehérjék foszforilációja és SUMo-ilációja milyen mértékben és milyen mechanizmusok által szabályozza a növények fény szabályozta növekedédét és egyedfejődését. Kísérleti eredményeink azt mutatják, hogy a fitokróm-B fotoreceptor reverzibilis foszforilációja és/vagy SUMO-ilációja egyaránt gátolja a fény függő jelátviteli lánc működését de a gátlás mechizmusa különböző. Ezzel párhuzamosan azt is megállapítottuk, hogy a fitokróm-B függő jelátviteli lánc egyik fontos komponensének, nevezetesen a fitokróm-B kölcsönható faktornak, a PIF3 transzkripciós faktornak a működését a SUMO-iláció szintén módosítja. Ellentétben a fotoreceptorral, a PIF3 hatékonyságát a fehérje SUMO-ilációja javítja így összeségében kijelenthető, hogy a növények egyedfejlődését a fény indukálta jelátviteli lánc különböző tagjainak poszt-transzlációs módosítása komplex módon szabályozza és fontos szerepet játszik a változó környezethez történő optimális alkalmazkodásban.
Results in English
During the 4 year period of research supported by the present grant we have focussed our work to determine to what extent post-translational modifications (SUMOylation and/or phosphorylation) of various components of the red/far-red absorbing photoreceptor phytochrome controlled signaling cascade modify photomorphogenesis in the model plant Arabidopsis thaliana. Our research unambigously established that reversible phosphorylation and SUMOylation of the photoreceptor phytochrome-B (phyB) as well reversible SUMOylation of the phyB interacting bHLH type transcription factor (PIF3) plays significant role in fine tuning light regulated growth and development. We have not only showed that these proteins are the subjects of post-translational modifications but also provided mechanistical explanations by showing at molecular level how their post-translational modification promotes/inhibits their canonical function in light induced signaling
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=108559
Decision
Yes





 

List of publications

 
Klose C, Viczián A, Kircher S, Schäfer E, Nagy F: Molecular mechanisms for mediating light-dependent nucleo/cytoplasmic partitioning of phytochrome photoreceptors, NEW PHYTOL &: in-press, 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
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
Sadanandom A, Adam E, Orosa B, Viczian A, Klose C, Zhang C, Josse EM, Kozma-Bognar L, Nagy F: SUMOylation of phytochrome-B negatively regulates light-induced signaling in Arabidopsis thaliana., P NATL ACAD SCI USA 112: (35) 11108-11113, 2015
Kirchenbauer D, Viczian A, Adam E, Hegedus Z, Klose C, Lepper M, Hiltbrunner A, Kircher S, Schaefer E, Nagy F: Characterization of photomorphogenic responses and signaling cascades controlled by phytochrome-A expressed in different tissues, NEW PHYTOL 211: (2) 584-598, 2016
Bernula P, Crocco CD, Arongaus AB, Ulm R, Nagy F, Viczian A: Expression of the UVR8 photoreceptor in different tissues reveals tissue-autonomous features of UV-B signalling., PLANT CELL ENVIRON 40: (7) pp. 1104-1114., 2017
Viczian A, Klose C, Adam E, Nagy F: New insights of red light-induced development., PLANT CELL ENVIRON 40: (11) pp. 2457-2468., 2017





 

Events of the project

 
2017-03-06 15:47:30
Résztvevők változása




Back »