LichtreizSchwerkraftTemperaturSchall, Geruch

Signal

Signaltransduktion

Steuerung von ReaktionenSteuerung der Entwicklung

EntwicklungsprogrammKommunikation im Organismus

endogen exogen

Umwelt“Aussen-Kommunikation”

“Reize”

Integration von Signalen

Optimale Abstimmung der Entwicklung und des Verhaltens eines Organismusdurch Integration von endogenen und exogenen Signalen

Endogene Signale der Entwicklungssteuerung

Phytohormone als zellübergreifende endogene Signale

Endogenes SignalPhytohormon

EntwicklungsprogrammKommunikation im Organismus

endogen exogenUmwelt

Integration von Außenfaktoren

Signaltransduktion

Steuerung von Reaktionen

und der Entwicklung

Ionenflüsse Enzymaktivitäten Genexpression Cytoskelett

PhytohormoneDefinition: Phytohormone sind niedermolekulare pflanzliche Botenstoffe, die ingeringen Konzentration (< 10 -5M) eine regulatorische, in der Regelzellübergreifende, Wirkung zeigen ohne hierbei selbst chemischverändert zu werden.

Hormonrezeptoren:sind hochaffine und spezifische Bindestellen für

Hormone, die durch eine reversible Bindung des Ligandengekennzeichnet sind und dieses Signal im Sinne einer Reizleitungtransduzieren.

Einteilung der Phytohormone

wachstumsstimulierende Phytohormone

wachstumsinhibierende Phytohormone

AuxineCytokinineGibberellineBrassinosteroide

EthylenAbscisinsäureJasmonsäureSalicylsäure

Wiederholung

Auxin elongation growthcell divisionapical dominanceadventitous roots N

H

-CH2-COOH

indol acetic acid

Cytokinin cell divisionadventitous budsantagonist of senescence

NH

N

N N

_HN-CH2-CH=C CH3

CH2OH

zeatin

Gibberellin elongation growthgerminationflower control

_

__CO

O

OHHO

HOOC

_

CH2

_

H3C

gibberellic acid 1

Brassinosteroidelongation growth

HO_

CH3_

CH3_

campesterol

wachstumstimulierende Phytohormone (Übersicht) Wiederholung

wachstumsinhibierende Phytohormone (Übersicht)

Ethylene fruit ripeningsenecenceleaf abscission

HC

H HH

C

Abscisic acid stomatal closuredormancydesiccation tolerancecold tolerance O

COOHOH

Jasmonic acid-isoleucine

pathogen responsewound response

O

CO-ILE

Salicylic acid thermogenesispathogen response

OH

COOH

Wiederholung

Regulation endogener Signale

Physiologischaktives Signal

Biosynthese Katabolismus

TransportKonjugierungSpeicherung

Signaltransduktion

Def. Signaltransduktion: Perzeption und Übertragung eines Signals, d.h. exogenen Reizes oder endogenen Botenstoffes, in einer molekularen Wirkkette

Auxin NH

-CH2-COOH

indol acetic acid

wichtigstes Auxin: Indolessigsäure

vorwiegendeBildungsorte:

MeristemeEmbryonenjunge Blätter

Transport basipetal: Im Spross (vom Apex zur Basis)(Wurzel: überwiegend akropetal)

unter Beteiligung des Auxin-efflux-Carriers PIN1, der überVesikel ortsselektiv in das Plasmalemma inseriert wird,und AUX1 (Auxin-Influx-Carrier)

z.T. ungerichtete Diffusion

Wiederholung

Reinhardt et al, Nature 426, 255 (2003)

Phyllotaxis induced by exogenous auxin

pin1 mutant

Wiederholung

Benkova et al., Cell 115, 591 (2003)

Auxin-Verteilung (Auxin-induzierte GUS Expression, blau,und Lokalisation uber Auxin-spez. Antikörper, braun)

PIN1 Expression

Secondary Root FormationWiederholung

Streckungswachstum (i.d.R.)

Wirkung

Auxin fördert:

Spross u. Wurzelunterschiedliche Sensitivität(Überversorgung hemmt!)

Teilungsaktivität des Kambiumsinduziert Entwicklung desinterfascikulären Kambiums

(sek. Dickenwachstum)

Wiederholung

Seitenwurzelbildung

Auxin wirkt hier antagonistischzu Cytokinin

Stecklingsbewurzelung durchAuxin (v.a. Indolbuttersäure)gefördert

Usambaraveilchen

10 Tage

- Auxin+ AuxinAdventiv-wurzeln

Apikaldominaz

Entwicklung von Seitensprossen wird unterdrückt

Wiederholung

Samen entferntbis auf drei !

Samen entfernt+ Auxin - AuxinKontrolle

Samen entferntbis auf einen !

Samenlose Frucht

(partheno-karp)

Fruchtentwicklung

wird durch Auxin induziert

Auxinapplikation auf Fruchtknoten löst vielfach samenlose (parthenokarpe) Fruchtentwicklung aus z.B. bei Erdbeere, Tomate, Wassermelone

Wiederholung

Biosynthese

über Tryptophan

Indol-3-acetonitril

C=N

4

- -

1) Trp-aminotransferase2) Indol-3-pyruvat-Decarboxylase3) Indol-3-acetaldehyd-DH4) Indol-3-acetonitril-Nitrilase

Tao et al., 2008Cell 133,164-176

npr

IAOx: indole-3-acetaldoxime IPA: indole-3-pyruvate;IAM: indole-3-acetamide;IAN: indole-3-acetonitrile ;TAM: tryptamine.

Auxin-Inaktivierung

Oxidation: IAA-Oxidase

Inaktivierung von Auxin initiiert durch IAA-Oxidase

Konjugation an IAA-Carboxygruppe:

- von Glucose über C1 (reversibel)

- von Aspartat über N (irreversibel Abbau)

Auxin-Signaltransduktion

Targets?

Analyse?

Allgemeine Überlegungen zur Signaltransduktion

Aktivierung der ARF durch Abbau des Inhibitors IAA/AUX über Ubiquitinierung von AUX/IAA (Dömäne II interagiert mit Ubiquitinligase)

Experimenteller Beweis:Auxin-insensitive IAA/AUX Mutanten mit Defekt im Abbau (spezifisch für Auxinwirkung!)

Abbau von AUX/IAA beseitigt negative Regulation der Auxin-Antwort,d.h. stimuliert Auxin-Signalisation

ARFARF Aktives

Dimer

Auxin-abhängige Genregulation über ARF Transkriptionsfaktoren

Transkriptionsfaktoren ARF (auxin-response factors, sind Aktivatoren)

homodimerisieren bzw. heterodimerisierenmit Transkriptionsregulatoren AUX/ IAA(wirken als Repressor, 24 Vertreter in Arabidopsis)

ARF-AUX/IAA Heterodimer inaktiv!

ARFAUX/IAA

Inaktives Heterodimer

Gray et al. (2001) Nature 414, 271

Fusionsproteine von IAA-Glucuronidase sind stabilisiert in der Auxin-insensitiven Mutante axr2 mit mutiertem IAA7-Gen (=AXR2)und axr3 (=mutiertes IAA17)

Ubiquitin

- hochkonserviert (> 95 % Identität zwischen Homo sapiens und Arabidopsis thaliana)

- C-terminales Gly wird reversibel an Lysin-Reste anderer Proteine konjugiert (Isopeptidbindung)

- 76 Aminosäuren

Funktionen• Monoubiquitinierung: Stabilisierung• Polyubiquitinierung: Abbau der Proteine

durch Proteolyse

RUB und SUMO mit struktureller Homologie zu Ubiquitin

SUMOUbiquitin RUB1 (NEDD8)

60 % identity

Ubiquitinierung

CO O-

CO AMP

+ ATPNH3

+

CO N

E3

PPi CO S

E1AMP

E1

SH

Polyubiquitinierung und

Proteolyse

E2C

O S

E2

SH

Monoubiquitinierung: Histone andere Proteine

2 >20 > 500 Gene in Arabidopsis

E1: UbIquitin-aktivierendes EnzymE2: UbIquitin-konjugierendes EnzymE3: UbIquitin-Ligase (SCF-Komplex)

TIR1: AuxinrezeptorDharmasine et al,Nature 435, 441Kepinski and LeyserNature 435, 446Nemhauser and ChoryCell 112, 970

a, An overall view of the TIR1 surface pocket occupied by auxin (green) at the bottom and the highly coiled IAA7 peptide (orange) on top. The surface of the three long top surface loops of TIR1 responsible for ligand binding is coloured red. b, A close-up side view of the central GWPPV motif in the IAA7 peptide upon binding to TIR1. Interacting residues of the substrate peptide and TIR1 are shown as orange and yellow stick models, respectively. Auxin is shown as a green stick model. To clarify the view, two hydrophobic residues, one from the peptide and the other from loop-2 of TIR1, are not shown. c, A slab view of the TIR1–auxin–IAA7 peptide complex, showing that auxin fills a cavity between two proteins. The molecular surface of TIR1 is shown in grey mesh. The IAA7 peptide and auxin are shown in orange surface representation and green CPK, respectively.

Xu et al. Nature 446, 640-645 (2007)

Proteolyse-abhängige Genregulation der Phytohormone über F-Box Proteine

Auxin-Antwort

Aktivierung der ARF Transkriptionsfaktorendurch Abbau der inhibitorischen IAA/AUX

Gibberellin-Antwort

GA-Bindung an Rezeptor: Rezeptor interagiert mit F-Box und aktiviert den Abbau der inhibitorischen DELLA Proteine (konserviert in Kormophyten nicht in Moosen, Algen)

Jasmonat-Antwort

JA-Isoleucin Konjugat perzipiert durch RezeptorCOI (F-Box ), das den Abbau der inhibitorischen JAZ Proteineeinleitet, Aktivierung der Transkriptionsfaktoren (MYC2)

a, JAZ proteins are normally bound to transcription factors and inhibit their activity. b, In response to attack, jasmonoyl–isoleucine (JA–Ile, marked with a star) stabilizes the interaction between COI1 and JAZ. c, The JAZ protein is probably then modified by ubiquitin (U), so marking it for destruction. d, JAZ is destroyed, liberating the transcription factors; e, this allows transcription of genes that produce proteins involved in defence and development, as well as of JAZ genes to restrain the jasmonate response. (Only the COI1 component of the SCFCOI1 enzyme complex of which it is a part is shown.)Edward E. Farmer Yan et al. Plant Cell 8, 2220 (2009)Nature 448, 659-660 (2007)

Jasmonat-Isoleucin-Signaltransduktion

CytokininNH

N

N N

_HN-CH2-CH=CCH3

CH2OH

zeatin

wichtigstes Cytokinin: Zeatin = Isopentenyladenin (Purinbiosyntheseweg)

vorwiegendeBildungsorte:

BiosyntheseWurzelspitzekeimende Samenjunge Gewebebereiche

Transport unpolar

Wirkung Cytokinin fördert:

Wirkung

enggekoppelt

Zellteilung und Streckungswachstum

Cytokinin aktiviert u.a. Cyclin-cdk-Komplex(siehe Vorlesung PD. Torres)

Stoffwechsel und verhindert Seneszenz

Beispiel: Herbstlaub mit grünen Inseln (Cytokinin produziert von Mikroorganismus)

Wiederholung

Differenzierung u. Entwicklung im Zusammenspiel mit Auxin

Cytokinin fördert Seitensprossbildung(Auxin unterdrückt)

fascierte Sprosse von Salix

Bildung von “Hexenbesen”extrem: fascierte (verwachsene) Sprosse

Cytokinin unterdrückt Seitenwurzelbildung(Auxin fördert)

Cytokinin/Auxin regulierte OrganentwicklungBeispiel: Organregeneration aus Kallus

Wiederholung

0 0.005 0.03 0.18 1 3

Indolessigsäure (mg/l)

Kin

etin

(mg/

l)

0

0.2

1

Organdifferenzierung aus Kalli der Tabakpflanze (Nicotiana tabacum)

Kallus

Kallus-proliferation

Spross-induktion

Wurzel-induktion

Wiederholung

Biosyntheseüber AMP

Nucleosidase

Hydroxylierung

Reduktion

Inaktivierung:Glucosylierung(OH, N7 und N9)reversibel

Signalkette

2- Komponentensystem

Cytokininrezeptoren AHK2, AHK3, AHK4/CRE 1, und CKI1 sind strukturell ähnlich demEthylen-Rezeptor ETR1(To u. Kieber, 2008, Trends Plant Science 13, 85)

Schematische Darstellung der Primärstriktur von CKI1 und ETR1 aus Arabidopsis

Klonierung von CKI1 durch Aktivierungs-TaggingInsertion der T-DNA aktiviert Transkription benachbarter Gene

Inoue et al. 2001, Nature 409,1060

Überexpression von CKI1 (C, D, G, H) führt zurCytokinin-hypersensitiven Sprossinduktion bei Arabidopsis Kalluskulturen (D, H). Kontrolle(B, F)

>>BA

<BA

AHK2,3 u. AK4/CRE1 sind Cytokininrezeptoren

mit struktureller Homologie zu bakteriellen „2-Komponenten-Systemen“

bakterielle „2-Komponenten-Systeme bestehen aus Sensor (membranst.Rezeptor) und Regulator

ähnlich den Cytokinin-u. Ethylenrezeptoren, Fusion von Sensor und Regulator (Transduzent)

2-Komponenten System (Enzym-gekoppelter Rezeptor)

charakteristisch für prokaryotische SignalwegeHefe: OsmoregulationPflanze: Ethylen- und CytokininrezeptorenHistidin-spezifische PROTEINKINASE als Sensorüberträgt Phosphatrest auf REGULATOR Protein (Phosphoaspartat-Bildung)Regulator häufig Transkriptionsregulator =Transduzent

Sensor-histidinkinase z.B. CheA

Regulator z.B. CheY

Bakterielle Chemotaxis

Hothorn et al (2011). Structural basis for cytokinin recognition by Arabidopsis thaliana histidine kinase 4. Nature Chem Biol 7, 266.

AHK4 Sensordomäne mit Cytokinin

Binding of thiadiazuron (urea-type synthetic cytokinin)(Hothorn et al (2011). Structural basis for cytokinin recognition by Arabidopsis thaliana histidine kinase 4. Nature Chem Biol 7, 266.

Histidin-Phosphotransmitter

AHP (Arabidopsis Histidine-Phosphotransmitter)binden an Rezeptoren und werden phosphoryliert

AHP1, AHP2 u. AHP5 zeigen Cytokinin-abhängige Lokalisation in Zellkern

aus Hwang und Sheen 2001, Nature 413,383

Responseregulator

ARR (Arabidopsis Response Regulator) sind Transkriptionsfaktoren

ARR1, ARR2 u. ARR10 sind Aktivatorender Genexpression und der Cytokinin-Antwort (TFs, ARR B-Typ)

werden durch AHP1 u. AHP2 de-reprimiert

ARR4, ARR5, ARR6 u. ARR7 (ARR A-Typ)sind negative Regulatoren der CytokininAntwort, werden durch Cytokinin induziert

aus Hwang und Sheen 2001, Nature

Ektopische Expression von CKI oderARR2 verstärkt die Cytokinin-Antwort

ER

Cytosol

Nucleus

3.6 Brassinosteroid

HO_

CH3_

CH3_campesterolSterol (Mevalonatweg, Triterpen)

vorwiegendeBildungsorte:

Meristeme

Transport unpolar

Streckungswachstum

fördernde Wirkung

bri1 : Brassinosteroid-insensitive Mutante von Arabidopsis

wt

Wiederholung

BR plays essential roles in nearly all phasesof plant development, as these mutants show multipledevelopmental defects, such as - reduced seed germination,-extreme dwarfism, - photomorphogenesis in the dark, -altered distribution of stomata,-delayed flowering and -male sterility.

Zhu et al, Development 140, 1615-1620 (2013)

Rezeptor

BeweglicheVermittler

Transkriptions-regulator

PK

PK

PP