Η συνδυαστική δράση της ακετυλοτρανσφεράσης των ιστονών GCN5 και του υποδοχέα CLV1 στην ανάπτυξη του Arabidopsis thaliana

Abstract

Histone acetylation is a central mechanism for regulating gene expression. It is catalyzed by specialized enzymes, the histone acetyltransferases and is reversed by histone deacetylaces. GENERAL CONTROL NON-DEREPRESSIBLE 5 (GCN5) is a histone acetyltransferase that acetylates lysine residues in histone H3 as a member of several multiprotein complexes in a wide range of organisms. Mutants of GCN5 in Arabidopsis thaliana exhibit pleiotropic phenotypes including dwarfism, loss of apical dominance, serrated leaves and aberrant inflorescence and floral meristems.CLAVATA pathway regulates the size of shoot apical and floral meristems. Basic components of CLAVATA signaling are the CLAVATA3 (CLV3) peptide and the CLAVATA1 (CLV1) receptor. Activation of the CLV1 receptor by the CLV3 peptide initiates a signaling cascade that leads to the suppression of gene expression of the transcription factor WUSCHEL (WUS). WUS protein is responsible for the maintenance of stem cells in the shoot apical and floral meristems of the plant. Mutants of CLV1 and CLV3 present enlarged shoot apical and floral meristems and they overexpress WUS.To study if GCN5 acts through CLAVATA signaling for the regulation of the shoot apical and floral meristem, the clv1-1gcn5-1 double mutant was created. The plant exhibited novel phenotypes such as constitutive ethylene responses in the seedling stage and elongated gynoecium with enlarged stigma and style and reduced ovary in flowers.The aim of this dissertation is the elucidation of the role of CLV1 and GCN5 in a) ethylene signaling and b) gynoecium development. To this end, genetic, molecular and physiological approaches were employed.Data from this dissertation showed that in ethylene signaling, CLV1 and GCN5 act synergistically as negative regulators. Their action was positioned downstream of ethylene biosynthesis and perception and depended on the activity of ETHYLENE INSENSITIVE 3 (ΕΙΝ3) and EIN3-LIKE1 (EIL1) transcription factors. CLV1 and GCN5 affected H3 acetylation of ethylene responsive genes suggesting that CLAVATA pathway signals reach the GCN5-containing complexes in the nucleus changing the acetylation status, translating the CLAVATA information into transcriptional activity. In addition, a link between shoot meristem maintenance and ethylene signaling was uncovered. In gynoecium development, CLV1 and GCN5 are positive regulators of the ovary and negative regulators of stigma and style. They affect gynoecium morphogenesis by negatively regulating auxin biosynthesis through the YUCCA4 (YUC4) gene and positively its transport, promoting PIN1 auxin transporter expression. In cytokinin signaling CLV1 and GCN5 act synergistically as positive regulators in the carpel margin meristem and as negative regulators in the stigma and style.CLV1 and GCN5 are negative regulators of WUS expression in the gynoecium via separate pathways. Additionally, WUS was found to be expressed in the stylar region at later stages of gynoecium development; a novel discovery that indicate an additional role for WUS in gynoecium development. The action of CLV1 and GCN5 depends on the activity of the SPATULA (SPT) transcription factor. Interestingly, CLV1, GCN5 and WUS were found to be necessary for flowering induction in Arabidopsis thaliana.Stylianos Poulios Doctoral Dissertation School of Biology AUTH 2018

H GENERAL CONTROL NON-DEREPRESSIBLE 5 (GCN5) είναι μια ακετυλοτρανσφεράση των ιστονών που αποτελεί την καταλυτική υπομονάδα αρκετών πολυπρωτεϊνικών συμπλόκων, τα οποία ακετυλιώνουν κατάλοιπα λυσίνης στην ιστόνη Η3. Μεταλλάγματα του γονιδίου GCN5 στο φυτό Arabidopsis thaliana, παρουσιάζουν πλειοτροπικούς φαινοτύπους μεταξύ των οποίων και μη φυσιολογική ανάπτυξη του μεριστώματος της ταξιανθίας και του ανθικού μεριστώματος. Το μονοπάτι CLAVATA ρυθμίζει το μέγεθος του κορυφαίου μεριστώματος του βλαστού και του ανθικού μεριστώματος. Κεντρικά συστατικά του μονοπατιού CLAVATA, αποτελούν το πεπτίδιο CLAVATA3 (CLV3) και ο υποδοχέας CLAVATA1 (CLV1). Η ενεργοποίηση του υποδοχέα CLV1 από το πεπτίδιο CLV3 πυροδοτεί ένα μονοπάτι μεταγωγής σήματος που έχει ως τελικό αποτέλεσμα τον περιορισμό της έκφρασης του γονιδίου του μεταγραφικού παράγοντα WUSCHEL (WUS). Μεταλλάγματα των γονιδίων CLV3 και CLV1 έχουν αυξημένο μέγεθος κορυφαίου μεριστώματος του βλαστού και ανθικού μεριστώματος καθώς και υπερέκφραση του γονιδίου WUS.Για να μελετηθεί αν το GCN5 δρα μέσω του μονοπατιού CLAVATA στη ρύθμιση του κορυφαίου μεριστώματος του βλαστού και ανθικού μεριστώματος δημιουργήθηκε το διπλό μετάλλαγμα clv1-1gcn5-1. Αυτό παρουσίασε νέους φαινοτύπους, οι οποίοι περιλαμβάνουν συνεχή απόκριση σε αιθυλένιο σε στάδιο αρτίβλαστου και επιμηκυσμένο γυναικείο με αύξηση του στίγματος και στύλου και μείωση της ωοθήκης στα άνθη.Σκοπός της διατριβής αυτής είναι η μελέτη του ρόλου των γονιδίων CLV1 και GCN5 α) στη σηματοδότηση του αιθυλενίου και β) στην ανάπτυξη του γυναικείου, στο φυτό Arabidopsis thaliana. Για τη επίτευξη των παραπάνω στόχων χρησιμοποιήθηκαν γενετικές, μοριακές και φυσιολογικές προσεγγίσεις.Στη σηματοδότηση του αιθυλενίου τα CLV1 και GCN5 δρουν συνεργιστικά ως αρνητικοί ρυθμιστές. Η δράση τους τοποθετείται καθοδικά της βιοσύνθεσης και της ανίχνευσης του αιθυλενίου και εξαρτάται από τη λειτουργία των μεταγραφικών παραγόντων ETHYLENE INSENSITIVE 3 (ΕΙΝ3) και EIN3-LIKE1 (EIL1). Τα CLV1 και GCN5 επηρεάζουν την ακετυλίωση της ιστόνης Η3 γονιδίων-στόχων του αιθυλενίου, υποδεικνύoντας ότι μηνύματα απο το μονοπάτι CLAVATA εισέρχονται στον πυρήνα και μαζί με τα σύμπλοκα που περιέχουν την GCN5 αλλάζουν το επίπεδο ακετυλίωσης, μεταφράζοντας τη σηματοδότηση CLAVATA σε μεταγραφική δραστηριότητα. Επιπλέον αποκαλύπτεται ότι η κατάσταση του κορυφαίου βλαστικού μεριστώματος συνδέεται με τη σηματοδότηση του αιθυλενίου.Στην ανάπτυξη του γυναικείου τα CLV1 και GCN5 αποτελούν θετικούς ρυθμιστές της ωοθήκης και αρνητικούς ρυθμιστές του στίγματος και του στύλου. Επηρεάζουν τη μορφογένεση του γυναικείου ρυθμίζοντας αρνητικά τη βιοσύνθεση της αυξίνης μέσω του γονιδίου YUCCA4 (YUC4) και θετικά τη μεταφορά της, προωθώντας την έκφραση του μεταφορέα αυξίνης PIN1 στην ωοθήκη. Στη σηματοδότηση της κυτοκινίνης τα CLV1 και GCN5 δρουν συνεργιστικά ως θετικοί ρυθμιστές της στο οριακό μερίστωμα του καρπόφυλλου και ως αρνητικοί ρυθμιστές στο στίγμα και το στύλο.Τα CLV1 και GCN5 είναι αρνητικοί ρυθμιστές του γονιδίου WUS στο γυναικείο από διαφορετικά μονοπάτια. Επιπλέον βρέθηκε ότι το γονίδιο WUS εκφράζεται στην περιοχή του στύλου στα όψιμα στάδια της ανάπτυξης του γυναικείου του Arabidopsis thaliana, υποδεικνύοντας έναν άγνωστο μέχρι τώρα ρόλο του γονιδίου αυτού στην ανάπτυξη του γυναικείου. Η δράση των CLV1 και GCN5 στην ανάπτυξη του γυναικείου εξαρτάται από τη λειτουργία του μεταγραφικού παράγοντα SPATULA (SPT). Επιπρόσθετα βρέθηκε πως τα γονίδια CLV1, GCN5 και WUS δρουν συνεργιστικά προωθώντας την επαγωγή της άνθησης στο Arabidopsis thaliana.Στυλιανός Πούλιος Διδακτορική ΔιατριβήΤμήμα Βιολογίας ΑΠΘ 2018