Regulator pseudoodpowiedzi
Regulator pseudoodpowiedzi ( PRR ) odnosi się do grupy genów ważnych dla oscylatora okołodobowego rośliny . Istnieją cztery podstawowe białka PRR (PRR9, PRR7, PRR5 i TOC1 /PRR1), które wykonują większość interakcji z innymi białkami w obrębie oscylatora okołodobowego, oraz drugie (PRR3), które ma ograniczoną funkcję. Wszystkie te geny są względem siebie paralogami i wszystkie tłumią transkrypcję genu okołodobowego związanego z zegarem okołodobowym 1 ( CCA1 ) i późnego wydłużonego hipokotylu (LHY) o różnych porach dnia. Wyrażenie PRR9, PRR7, PRR5 i TOC1 /PRR1 następuje odpowiednio rano, w południe, po południu i wieczorem. Jako grupa, geny te stanowią część trzyczęściowego represilatorów , który reguluje zegar biologiczny u roślin.
Odkrycie
W latach 90. XX wieku wiele laboratoriów zidentyfikowało geny PRR jako części zegara dobowego. W 2000 roku Akinori Matsushika, Seiya Makino, Masaya Kojima i Takeshi Mizuno jako pierwsi zrozumieli geny PRR jako geny represorów pseudoodpowiedzi, a nie jako geny regulatorów odpowiedzi (ARR) . Czynnikiem odróżniającym PRR od genów ARR jest brak asparaginianowego akceptującego fosfo , które charakteryzuje białka ARR. Chociaż ich badania, w ramach których odkryto geny PRR, zostały okrzyknięte na początku XXI wieku przede wszystkim jako informujące społeczność naukową o funkcji TOC1 (nazwany APRR1 przez laboratorium Mizuno), dodatkowy regulator pseudoodpowiedzi w zegarze biologicznym Arabidopsis thaliana , informacje o genach PRR, które Matsushika i jego zespół odkryli, pogłębiły naukowe zrozumienie zegarów dobowych u roślin i skłoniły innych badaczy do postawienia hipotezy na temat celu genów PRR. Chociaż obecne badania wykazały, że TOC1, PRR3, PRR5, PRR7 i PRR9 mają znaczenie dla mechanizmu zegara dobowego A. thaliana , Matsushika i in. jako pierwsi podzielili geny PRR na dwie podgrupy (APRR1 i APRR2, gdzie A oznacza Arabidopsis) ze względu na dwie różne struktury aminokwasów. The Pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego , w tym geny PRR , zaproponowane przez Mizuno, zostały włączone do złożonego obwodu represilatora przez laboratorium Andrew Millara w 2012 r. Koncepcja roślinnego zegara biologicznego, składającego się z oddziałujących ze sobą pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego, jest wyjątkowa w porównaniu do zegara biologicznego ssaków i grzybów zegary dobowe, które zawierają autoregulacyjne pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego z elementami dodatnimi i ujemnymi (patrz „Kontrola transkrypcyjna i nietranskrypcyjna na stronie Zegar dobowy ).
Funkcja i interakcje
PRR3, PRR5, PRR7 i PRR9 biorą udział w represilatorze negatywnego autoregulacyjnego sprzężenia zwrotnego, które synchronizuje się z sygnałami wejściowymi ze środowiska. Represilator ma pętlę poranną, wieczorną i nocną, które są częściowo regulowane przez interakcje białek regulatorowych pseudoodpowiedzi z CCA1 i LHY. CCA1 i LHY wykazują maksymalne wiązanie z PRR9, PRR7 i PRR5 odpowiednio rano, wieczorem i w nocy.
PRR3 i PRR5
Po fosforylacji przez nieznaną kinazę , białka PRR5 i PRR3 wykazują zwiększone wiązanie z TIMING OF CAB2 EXPRESSION 1 ( TOC1 ). Ta interakcja stabilizuje zarówno TOC1, jak i PRR5 i zapobiega ich degradacji przez białko F-box ZEITLUPE (ZTL). Dzięki temu mechanizmowi PRR5 jest pośrednio aktywowany przez światło, ponieważ ZTL jest hamowany przez światło. Dodatkowo PRR5 przyczynia się do represji transkrypcyjnej genów kodujących pojedyncze czynniki transkrypcyjne MYB CCA1 i LHY.
PRR7 i PRR9
Dwa pojedyncze czynniki transkrypcyjne MYB, CCA1 i LHY, aktywują ekspresję PRR7 i PRR9 . Z kolei PRR7 i PRR9 tłumią CCA1 i LHY poprzez wiązanie ich promotorów. Ta interakcja tworzy poranną pętlę represilatora zegara biologicznego u A. thaliana . Immunoprecypitacja chromatyny pokazuje, że LUX wiąże się z promotorem PRR9 , aby go stłumić. Dodatkowo wykazano, że ELF3 aktywuje PRR9 i tłumi CCA1 i LHY . PRR9 jest również aktywowany przez alternatywny splicing RNA . Kiedy PRMT5 ( czynnik metylacji ) nie może metylować intronu 2 PRR9, następuje przesunięcie ramki odczytu skutkujące przedwczesnym obcięciem.
PRR7 i PRR9 również odgrywają rolę w porywaniu A. thaliana do cyklu temperaturowego. Rośliny z podwójnymi mutacjami z inaktywowanymi PRR7 i PRR9 wykazują ekstremalne wydłużenie okresu w wysokich temperaturach, ale nie wykazują żadnych zmian w okresie w niskich temperaturach. Jednakże inaktywacja CCA1 i LHY w mutantach PRR7/PRR9 z utratą funkcji nie wykazuje zmiany okresu w wysokich temperaturach - sugeruje to, że PRR7 i PRR9 działają poprzez nadmierną kompensację.
Interakcje w obrębie Arabidopsis
u A. thaliana główna pętla sprzężenia zwrotnego obejmuje regulację transkrypcji między kilkoma białkami. Trzy główne składniki tej pętli to TOC1 (znany również jako PRR1), CCA1 i LHY. Każdy pojedynczy składnik osiąga szczyt transkrypcji o różnych porach dnia. Każdy z PRR 9, 7 i 5 znacząco zmniejsza poziomy transkrypcji CCA1 i LHY. W odwrotny sposób PRR 9 i 7 nieznacznie zwiększają poziomy transkrypcji TOC1. Stałe (CO) są również pośrednio regulowane przez białka PRR, poprzez ustawienie mechanizmu molekularnego dyktującego światłoczułość okres po południu. Wiadomo również, że PRR stabilizują CO w określonych porach dnia, pośrednicząc w jego akumulacji. Powoduje to regulację wczesnego kwitnienia w krótszych fotoperiodach , co sprawia, że wrażliwość na światło i kontrola czasu kwitnienia stają się ważnymi funkcjami klasy PRR.
Homologie
Paralogi
PPR3, PRR5, PRR7 i PRR9 są swoimi paralogami. Mają podobną strukturę i wszystkie tłumią transkrypcję CCA1 i LHY. Dodatkowo wszystkie charakteryzują się brakiem miejsca asparaginianowego akceptującego fosfor. Geny te są także paralogami TOC1, zwanego alternatywnie PRR1.
Ortolodzy
W Selaginelli odkryto kilka regulatorów pseudoreakcji , ale ich funkcja nie została jeszcze zbadana.
Mutanty
Ponieważ PRR jest rodziną genów, przeprowadzono kilka rund badań przesiewowych mutantów w celu zidentyfikowania każdego możliwego fenotypu.
Fenotyp rytmu
Pod względem rytmiczności zegara w trybie pracy swobodnej PRR9 i PRR5 kojarzą się odpowiednio z dłuższymi i krótszymi okresami. W przypadku każdego genu podwójny mutant z PRR7 zaostrza obserwowane trendy w rytmiczności. Potrójny mutant powoduje arytmię rośliny.
Fenotyp czasu kwitnienia
Jeśli chodzi o czas kwitnienia w warunkach długiego dnia, wszystkie mutanty spowodowały późne obserwowane kwitnienie, przy czym PRR7 było znacznie późniejsze w porównaniu do pozostałych mutantów. Wszystkie podwójne mutanty z PRR7 miały znacznie późniejszy czas kwitnienia niż mutant PRR5/PRR9.
Fenotyp wrażliwości na światło
Jeśli chodzi o wrażliwość na światło, zwłaszcza światło czerwone, które jest związane z wydłużaniem hipokotylu, zaobserwowano, że wszystkie mutanty PRR są hipowrażliwe, a PRR9 okazał się mniej wrażliwy. Wszystkie podwójne mutanty miały taką samą obniżoną wrażliwość jak mutanty PRR5 lub PRR7; potrójny mutant jest wyjątkowo hipowrażliwy.
Przyszłe badania
Ostatnie badania wykazały, że ekspresja genów zegarowych wykazuje specyficzność tkankową. Dowiedzenie się o tym, jak, kiedy i dlaczego określone tkanki wykazują pewne wartości szczytowe w genach zegarowych, takich jak PRR, może ujawnić więcej subtelnych niuansów każdego genu w obrębie represilatora.
Przeprowadzono niewiele badań nad mechanizmami oscylatorów dobowych u gatunków innych niż A. thaliana ; Dowiedzenie się, które geny są odpowiedzialne za funkcje zegara u innych gatunków, da lepszy wgląd w podobieństwa i różnice w zegarach u różnych gatunków roślin.
Szczegóły mechaniczne każdego etapu systemu represilatora zegara biologicznego rośliny nie zostały jeszcze w pełni poznane. Zrozumienie ich zapewni wiedzę na temat funkcji zegara, a w przypadku różnych gatunków zwiększy zrozumienie ekologicznych i ewolucyjnych funkcji oscylatorów okołodobowych.
Ponadto identyfikacja bezpośrednich celów PRR5, PRR7 i PRR9, które nie są CCA1 i LHY, dostarczy informacji o powiązaniach molekularnych z PRR do genów wyjściowych, takich jak szlak kwitnienia i metabolizm w mitochondriach, które są niezależne od CCA1.