Strukturní a funkční analýza regulačních domén, které se podílejí na přenosu hormonálních signálů u Arabidopsis thaliana

Agnieszka Szmitkowska, M.Sc.

Doctoral thesis

Structural and functional analysis of regulation domains involved in hormonal signal transfer in Arabidopsis thaliana

Abstract:

Rostlinné hormony (fytohormony) jsou skupinou růstových regulátorů odpovědných za vývojové a fyziologické procesy během životního cyklu rostlin. Mezi fytohormony patří i etylén, který je odpovědný mimo jiné za dozrávání plodů, stárnutí listů a reakci na stres. Cílem této práce bylo studium struktury a funkce regulačních domén etylénového receptoru ETHYLENE RESPONSE1 (ETR1) z rostliny Arabidopsis thaliana a jejich integrace do signální dráhy fytohormonu cytokininu známou jako vícekrokový přenos fosfátu (Multistep phosphorelay; MSP). Je známo, že se ETR1 svou histidinkinázovou aktivitou podílí na etylénem regulované kontrole MSP dráhy. Mechanismus této regulace však zůstává neobjasněný. Zjistili jsme, že se C-terminální přijímačová doména ETR1 (ETR1RD) nechová jako typická přijímačová doména. Neváže dvojmocné ionty a postrádá pomalou dynamiku ve své γ smyčce (smyčka β3-α3), která se nachází v blízkosti fosforylačního místa. Oproti jiným přijímačovým doménám, γ smyčka zaujímá jinou orientaci v krystalu ETR1RD. ETR1RD tak není schopna vázat a přenášet fosfát. Je však schopna interagovat s proteiny přenášejícím fosfátovou skupinu (Arabidopsis histidine phosphotransfer proteins; AHPs), následnými členy MSP dráhy, ve dvouhybridním kvasinkovém systému. Identifikovali jsme přijímačovou doménu histidinkinázy ARABIDOPSIS HISTIDINE KINASE 5 (AHK5RD) jako partnerskou doménu pro ETR1 histidinkinázovou doménu (ETR1HK). AHK5RD je schopna přijmout fosfátovou skupinu z ETR1HK a přenést ji na AHP proteiny v řádu sekund. Přenos na jiné testované přijímačové domény je v řádu minut. K přenosu fosfátu mezi ETR1HK a AHK5RD dochází i v přítomnosti AHK5HK. Na základě těchto výsledků můžeme konstatovat, že k integraci etylénového signálu do MSP dráhy dochází prostřednictvím ETR1 zprostředkované fosforylace AHK5 histidinkinázy. Výsledky této studie představují nový, dosud nepublikovaný mechanismus regulace aktivity MSP dráhy etylénem a poskytují tak nový pohled na integraci signálních drah nejen v Arabidopsis.

Abstract:

Plant hormones (phytohormones) are a group of growth regulators responsible for numerous developmental and physiological processes during the plant life cycle. Ethylene is a gaseous phytohormone responsible among others for fruit ripening, leaf senescence and stress responses. The focus of this thesis is the study of the structure and function of intracellular histidine kinase (HK) and receiver (RD) regulation domains of ethylene receptor ETHYLENE RESPONSE1 (ETR1) from a plant Arabidopsis thaliana and its possible crosstalk with cytokinin hormone signaling pathway known as multistep phosphorelay (MSP). It is known that histidine kinase activity of ETR1 participates in the ethylene-dependent control of MSP. However, the mechanism of ETR1-regulated phosphorelay is elusive. This work demonstrates that C-terminal receiver domain of ETR1 (ETR1RD) does not behave as a typical receiver domain. It does not bind divalent ions and lacks slow dynamics in its γ-loop (β3-α3 loop) located near the phosphorylation site. Unlike other receiver domains, the γ-loop adopts a different orientation in the crystal structure of ETR1RD. Thus, ETR1RD is unable to receive and transfer phosphate but we demonstrated its interaction with AHPs, downstream members of the MSP pathway, using the Y2H assay. Receiver domain of ARABIDOPSIS HISTIDINE KINASE 5 (AHK5RD) was newly identified to be able to accept the phosphate group from ETR1 HK domain (ETR1HK) and transfer it to AHPs in order of seconds, proposing AHK5RD as a cognate partner of ETR1HK. Transmission to other tested receiver domains is within minutes. Phosphate transfer between ETR1HK and AHK5RD occurs in the presence of AHK5HK as well. Based on these results, we can conclude that the integration of the ethylene signal into the MSP pathway occurs through the ETR1-mediated phosphorylation of AHK5 histidine kinase. Results of this study present a novel, not yet published mechanism of ethylene-mediated control over MSP activity, thus providing a new perspective on the signaling pathway integration not only in Arabidopsis.

Keywords

etylén, ETR1, AHK5, interakce signálních drah, přenos fosfátové skupiny, Arabidopsis thaliana, ethylene, crosstalk, phosphotransfer

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 4. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 31. 5. 2021
• Supervisor: Ing. Blanka Pekárová, Ph.D.
• Reader: Mgr. David Kopečný, Ph.D., Dr. Virtudes Mira-Rodado

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Genomics and Proteomics / Genomics and Proteomics