TOC1 (gen)
| Czas | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| identyfikatorów wyrażenia CAB 1 | |||||||
| Organizm | |||||||
| Symbol | RRSO 1 | ||||||
| Alt. symbolika | TOC1, AtTOC1, MFB13.13, REGULATOR PSEUDO-ODPOWIEDZI 1 | ||||||
| Entrez | 836259 | ||||||
| RefSeq (mRNA) | NM_125531.3 | ||||||
| RefSeq (Prot) | NP_200946.1 | ||||||
| UniProt | Q9LKL2 | ||||||
| Inne dane | |||||||
| Chromosom | 5: 24,69 - 24,7 MB | ||||||
| |||||||
| toc1 | |
|---|---|
| Gen | |
| Liczba eksonów | 6 |
| Liczba intronów | 5 |
| Rozmiar | 3,49 kb |
| mRNA | |
| rozmiar | 2713 p.n.e |
| Białko | |
| Waga molekularna | 69,2 kDa |
| Liczba Pi | 7,5 |
| Aminokwasy | 618 |
| Lokalizacja w Arabidopsis | |
| Chromosom | 5 |
| Dystans | 79,0 cM |
| Znacznik miejsca | AT5G61380 |
Czas ekspresji CAB 1 jest białkiem , które u Arabidopsis thaliana jest kodowane przez gen TOC1 . TOC1 jest również znany jako dwuskładnikowy regulator odpowiedzi podobny do APRR1 .
TOC1 był pierwszym genem roślinnym, który po zmutowaniu dał fenotyp okołodobowy. Koduje czynnik transkrypcyjny TOC1, który wpływa na okres rytmów okołodobowych roślin : wbudowanych, plastycznych oscylacji, które powtarzają się co 24 godziny. Gen koduje represor transkrypcji TOC1 , jeden z pięciu regulatorów pseudoodpowiedzi (PRR), które pośredniczą w okresie zegara dobowego u roślin. Białko TOC1 bierze udział w wieczornej pętli zegara, która jest represylatorem bezpośrednio hamującym transkrypcję genów pętli porannej LHY i CCA1 . Gen Toc1 ulega ekspresji w większości struktur i komórek roślinnych i ma swoje miejsce na chromosomie 5.
Kontekst historyczny
Odkrycie
Gen TOC1 został początkowo odkryty przez prof. Andrew Millara i współpracowników w 1995 r., kiedy Millar był studentem. Millar opracował innowacyjny genetyczny ekran do przodu, w którym połączył bioluminescencyjny reporter, świetlika ( lucyferazę ), z ekspresją CAB (białka wiążącego chlorofil-a, b — patrz Kompleksy zbierające światło roślin zielonych ) u Arabidopsis . Mierząc bioluminescencję w ciągu dnia, Millar stwierdził, że ekspresja CAB wykazuje wzorce oscylacyjne w stałym świetle i oscyluje z krótszym okresem w zmutowanych roślinach toc1. Zmapował również gen toc1 na chromosomie 5. Te metody i odkrycia zostały opublikowane i umieszczone na okładce Science w lutym 1995 roku.
Częściowo dlatego, że wstępne badania genów zegara przeprowadzono u Drosophila w latach 70. XX wieku, a następnie u ssaków, początkowo sądzono, że zegar dobowy roślin działa podobnie do zegara ssaków. U ssaków pozytywne i negatywne elementy regulacyjne działają w pętlach sprzężenia zwrotnego, napędzając oscylacje okołodobowe; mianowicie geny Per i Cry są aktywowane przez elementy dodatnie CLOCK i BMAL w celu wytworzenia białek, które po fosforylacji działają jak elementy ujemne, hamując funkcję aktywującą kompleksu CLOCK:BMAL. W ten sposób Per i Cry hamują własną transkrypcję.
W przeciwieństwie do tego, grupa Millara odkryła, że białko TOC1 jest negatywnym regulatorem, a zegar roślinny lepiej modeluje jako represylator — system, w którym jeden gen tłumi drugi i z kolei jest tłumiony przez następny, tworząc współzależny, oscylujący gen sieć. Odkrycie to osiągnięto dzięki 1) Arabidopsis z konstytutywną (zawsze włączoną) ekspresją genu toc1 , które wykazywały zmniejszoną obfitość mRNA zarówno w genach pętli porannej prr7 i 9, cca1 i lhy, jak i genach pętli wieczornej gi i elf4; oraz 2) rośliny z mutacjami w toc1 i rośliny, w których występuje RNAi został użyty do wybicia toc1. Te mutanty bez funkcjonalnego toc1 wykazywały zaawansowaną fazę dla lhy, co sugeruje mniejszą represję pod nieobecność białka TOC1.
Badanie przeprowadzone przez Carla Strayera i współpracowników wykazało, że transkrypcyjne zaangażowanie genu toc1 skróciło rytmy dobowe w stałej ciemności oprócz stałego światła, a TOC1 był regulowany okołodobowo i zaangażowany w regulację własnej pętli sprzężenia zwrotnego.
Historia ewolucyjna
- homologi
Homologi TOC1 znaleziono w rukwi skalnej Lyrate, kapustnej , papai , ogórku , truskawce , soi , lotosie , jabłku , brzoskwini , topoli zachodniej ( populus ), fasoli rycynowej , pomidorze , ziemniaku , winorośli i ciecierzycy .
- Polimorfizmy
Arabidopsis znaleziono 21 polimorfizmów , w tym substytucje, insercje i delecje.
Charakterystyka białka
Motywy strukturalne
Podobnie jak pozostałe cztery białka PRR znalezione w Arabidopsis , TOC1 znajduje się w jądrze i wykorzystuje domenę pseudoodbiornika (PR) na N-końcu oraz domenę CONSTANS, CONSTANS-LIKE i TOC1 (CCT) na C-końcu . Poprzez swoją domenę CCT, TOC1 jest w stanie bezpośrednio wiązać DNA , a domena PR jest odpowiedzialna za aktywność represji transkrypcji.
Funkcje i interakcje
TOC1 wiąże się z regionami promotorowymi G-box i motywu EE genów zaangażowanych zarówno w poranne, jak i wieczorne pętle sprzężenia zwrotnego transkrypcji i translacji, które napędzają roślinny zegar dobowy; te geny obejmują PRR7 i 9, CCA1 i LHY w porannej pętli sprzężenia zwrotnego oraz GI i ELF4 w pętli wieczornej. Dyskretna indukcja ekspresji genu TOC1 skutkuje zmniejszoną ekspresją CCA1 i PRR9, co wskazuje, że TOC1 odgrywa raczej represyjną niż stymulującą rolę w regulacji okołodobowej ekspresji genów. Represja genów pętli porannej lhy i cca1 została przewidziana za pomocą modelowania komputerowego i była dowodem potrzebnym do ponownego zdefiniowania roli toc1 w zegarze roślinnym jako części potrójnej składowej ujemnej represylatora , a nie system elementów pozytywnych/negatywnych, taki jak u ssaków.
Wzór wiązania domeny CCT TOC1 wykazuje oscylacje okołodobowe, z maksymalnym wiązaniem z motywami G-box i EE - regionami promotorowymi, które wiążą czynniki transkrypcyjne - występującymi w CT15 we wczesnej subiektywnej nocy rośliny. Na podstawie utraty rytmów wiązania u Arabidopsis z konstytutywną ekspresją TOC1 wykazano, że oscylacje w wiązaniu TOC1 są regulowane przez obfitość białka.
Wydaje się również, że TOC1 jest zaangażowany w pętlę sprzężenia zwrotnego z kwasem abscysynowym , kluczowym hormonem roślinnym zaangażowanym w rozwój i reakcję na stres. Rośliny Arabidopsis , którym podawano różne ilości ABA, wykazywały odpowiednie różnice w ekspresji TOC1 i długości okresu okołodobowego. Dzięki modelowaniu obliczeniowemu tej pętli sprzężenia zwrotnego wykazano, że TOC1 ma zegarowy wpływ na wzorce stomii , co tradycyjnie opisywano jako proces regulowany głównie przez ABA.
Modyfikacje potranslacyjne
W cyklu okołodobowym TOC1 ulega zróżnicowanej fosforylacji , przy czym fosforylacja szczytowa występuje w nocy. W stanie silnie ufosforylowanym TOC1 ma większe powinowactwo wiązania z białkiem F-box ZEITLUPE (ZTL). Oprócz kontrolowania interakcji TOC1 - ZTL, fosforylacja N-końca białka TOC1 zwiększa interakcję z PRR3, jednym z pięciu białek PRR występujących w Arabidopsis . Z badań z mutantami ztl-1, które mają pojedynczą mutację zmiany sensu w domenie kelch białka i skutecznie powodują mutację zerową ztl Stwierdzono, że białko TOC1 jest stabilizowane, a cykle TOC1 w dużej mierze wyeliminowane. Podczas gdy fosforylacja białka TOC1 stabilizuje interakcje z ZTL, zwiększa również powinowactwo TOC1 do PRR3. To ostatecznie chroni TOC1 przed degradacją za pośrednictwem ZTL. PRR3 działa jako konkurencyjny inhibitor interakcji ZTL-TOC1, ponieważ wiązanie TOC1 z PRR3 powoduje zmniejszenie dostępności substratu TOC1 do degradacji zależnej od ZTL. Powoduje to zwiększoną amplitudę cykli TOC1, co sugeruje, że stabilne cykle TOC1 zależą od degradacji ZTL oprócz kontroli regulacji transkrypcji.
Zastosowanie rolnicze
Aby najefektywniej wykorzystać zasoby środowiska, takie jak światło, rośliny na ogół synchronizują swoje rytmy dobowe, aby dopasować je do okresu panującego w środowisku. W badaniu opublikowanym w 2005 roku wykazano, że rośliny, których okres dobowy odpowiadał okresowi cyklu światło-ciemność w swoim środowisku, zwiększyły fotosyntezę i wzrost. Korzystając z tej wiedzy, botanicy mogą wykorzystać mutację w genie toc1, która, jak wykazano, skraca okres życia rośliny. Jest prawdopodobne, że te mutanty toc1 można łatwo wykorzystać do produkcji roślin w krótszym czasie i przy mniejszym zużyciu energii.