MFPSB 1

Úloha genu Úloha genu COP1COP1 v rostlinné v rostlinné fotomorfogene i a t morogene ifotomorfogene i a t morogene ifotomorfogenezi a tumorogenezi fotomorfogenezi a tumorogenezi

u živočichůu živočichů

a) Fotomorfogenezea) Fotomorfogenezeb) Úloha COP1 ve fotomorfogenezi rostlinc) COP1 a tumorogeneze

Martin FellnerMartin Fellner 2010

MF 2MFPSB

a) Fotomorfogeneze

Briggs WR, Spudich JL (eds) (2005) Handbook of Photosensory Receptors, Wiley-VCHReceptors, Wiley VCH

Schäfer E, Nagy F (eds) (2006) Photomorphogenesis in Plants gand Bacteria, 3rd ed., Springer

http://arjournals.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev.arplant.56.032604.144208

Rockwell NC et al. (2006) Phytochrome Structure and Signaling Mechanisms. Annu Rev Plant Biol 57: 837-858

p j g p

MF 3MFPSB

Růst ve tmě (etiolizovaný růst, skotomorfogeneze)

Růst na světle(fotomorfogeneze)

MF 4

Fotomorfogeneze = světlem indukované změny ve vývoji a růstu

MFPSB

Fotomorfogeneze světlem indukované změny ve vývoji a růsturostliny.

Proces, při kterém světlo jako signál změní vývoj rostliny tak, aby mohla ů ů

Světlo

pro svůj další růst využít světlo jako energii.

Základní fotomorfogenické

Světlo

Základní fotomorfogenické reakce:

- inhibice prodlužováníTma inhibice prodlužování

- stimulace syntézy chlorofylu

- stimulace růstu listu- stimulace růstu listu

- regulace klíčení

MF 5MFPSB

Při fotomorfogenezi je světlo zachycováno pigmenty, které jsou součástí fotoreceptorů:

červeného světla: fytochromy A až E (phytochromes)

modrého světla a UV-A: kryptochromy a fototropiny modrého světla a UV A: kryptochromy a fototropiny(cryptochromes, phototropins)

Absorpce světla aktivace signálních drah

Aktivace světlem indukovaných genů

Fytochrom funguje v jádře aktivuje transkripční faktory Je však

MF 6MFPSB

Fytochrom funguje v jádře – aktivuje transkripční faktory. Je však lokalizovaný původně v cytoplazmě => musí být přemísťěn do jádra.

Sh R (2001) C t S i 80 178 188 F t h ř í ť j d jád li ětlhttp://www.ias.ac.in/currsci/jan252001/178.pdf

Sharma R (2001) Current Science 80: 178-188 Fytochrom se přemísťuje do jádra vlivem světla

- Pohyb phyB – indukován R, inhibován FR;do jádra putuje pouze ve formě Pfr, pohyb je pomalý! pomalý

- Pohyb phyA – indukován FR; putuje v obou formách; pohyb je rychlý.

!Vizualizace pomocí GFP (green fluorescent protein; GFP aktivovaný světlem emituje fluorescenční záření)GFP aktivovaný světlem emituje fluorescenční záření)

KonstruktPromotor PHYB GFP

Transformace rostlin

Sledování exprese PHYBv buňkách a pletivechphyA-GFP phyB-GFP

MF 7MFPSB

Regulace genové exprese fytochromem B

PhyB je syntetizován v cytolazmě ve formě PrB PIC iniciuje transkripci MYB genů

Jaderný protein PIF3 (phytochrome interacting factor3):

v cytolazmě ve formě PrB j p g(CCA1, LHY)

(p y g )

- přesná funkce není známa –transkripční faktor reagující s G-boxem (= část promotoru genu ( p gMYB)

- reaguje s C- terminálním koncem fytochromu B – Pfr tvoří komplex s y pPIF3

Nové informace

Kim J et al. (2003) Plant Cell 15: 2399-2407

http://www.plantcell.org/

Ve formě PfrB je fytochrom transportován do jádra

PfrB se váže k dimeru PIF3

Transkripční faktor MYBaktivuje transkripci LHCB

MF 8

b) Úloha COP1 ve fotomorfogenezi rostlinMFPSB

b) Úloha COP1 ve fotomorfogenezi rostlin

Genetický skríning Selekce mutantů Identifikace genůGenetický skríning Selekce mutantů Identifikace genů

cop1 (constitutive photomorphogenesis) - etiolizované rostliny ukazují fenotyp rostlin rostoucích na světleyp

MF 9MFPSB

Mutovaný (poškozený) gen COP1 vede ke konstitutivní fotomorfogenezi

Zdravý gen COP1 – negativní regulátor fotomorfogeneze

COP1 t ál í f t f tliCOP1 – centrální gen fotomorfogeneze rostlin

MF 10

Struktura Arabidopsis COP1 (AtCOP1)

MFPSB

Struktura Arabidopsis COP1 (AtCOP1)

WD40WD40NES NISRING Coiled-coil

N-terminální doména: RING finger a coiled-coil doména

RING finger a coiled-coil doména – vnesení do cop1 mutanta vede k osvobození letálního fenotypu

N-terminální doména má základní funkci ve vývoji rostlin

NES = leucine-rich Nuclear Export Signal

C-terminální doména: WD40

NES leucine rich Nuclear Export Signal

NIS = Nuclear Import Signal

C-terminální doména: WD40

MF 11MFPSB

Interakce Arabidopsis COP1 s dalšími proteiny

WD40NES NISRING Coiled-coil

COP10CIP8

SPA1-4, COP1, CIP1, CIP4, CIP7

HY5, HYH, STO, HFR1, CRY1, CRY2, phyA, phyB

,

Nezmapovaný faktor: LAF1Nezmapovaný faktor: LAF1

MF 12

COP1 funguje jako E3 ubiquitin ligázaMFPSB

g j j q g

Negativní funkce COP1 byla odhalena pomocí HY5

HY5 – bZIP transkripční faktor:

- akumuluje se v reakci na světlo

- v reakci na světlo aktivuje fotomorfogenické geny

- ve tmě dochází k degradaci HY5 pomocí proteolýzy zprostředkované proteazomemproteazomem

Proteolýza zprostředkovaná proteazomem vyžaduje protein ubiquitin

proteinubiquitin proteinubiquitin

E3 ubiquitin ligáza Proteazom

RING finger

MF 13

CO ř ý ž á ů

MFPSB

COP1 podezřelý z toho, že jde od HY5 E3 ubiquitin ligázu – důkazy:

- COP1 interaguje přímo s HY5g j p

- degradace HY5 je narušena v mutantu cop1

- mutant cop1 s bodovou mutací v WD40 špatně interaguje s HY5- mutant cop1 s bodovou mutací v WD40 špatně interaguje s HY5

- HY5 se stabilizuje na světle, když COP1 je z jádra odstraněn

COP1 = E3 ubiquitin ligáza

COP1 rovněž ubiquitinuje HYH a transkripční faktory jiných typů: LAF1 (Myb) nebo HFR1 (bHLH)

COP1 funguje jako hlavní vypínač: ve tmě vypíná fotomorfogenezi degradací transkripčních faktorů, které aktivují specifické geny fotomorfogenezedegradací transkripčních faktorů, které aktivují specifické geny fotomorfogeneze

MF 14MFPSB

phyA – fotoreceptor dlouhovlného červeného světla (FR); na světle extrémně labilní

CRY2 – fotoreceptor modrého světla; na světle extrémně labilní

COP1 přímo interaguje s phyA a CRY2 a směřuje je k ubiquitinaci proteazomem

Ochrana před nadměrnou aktivací signálních drah

phyB – fotoreceptor červeného světla; na světle stabilní

CRY1 – fotoreceptor modrého světla; na světle stabilní

COP1 přímo interaguje s phyB a CRY1, ale nemá vliv na jejich stabilitu

COP1 l j i t k i h B CRY1 t č ý i t iCOP1 reguluje interakci phyB a CRY1 s terčovými proteiny

Schéma úlohy COP1 ve fotomofogenezi

MF 15

Schéma úlohy COP1 ve fotomofogenezi

MFPSB

Schéma úlohy COP1 ve fotomofogenezi

MF 16Funkce COP1 je modulována nukleoplazmatickou translokacíMFPSB

Mutace Leu zbytkův doméně COP1

odpovědné za exportproteinu z jádra

Zvýšená akumulacemutovaného COP1

v jádře

Transgenní rostlinyoverexprimující COP1

s mutovanou doménouzodpovědnou za import

proteinu do jádra

Snížena akumulace mutovaného COP1 v jádře

= konstitutivní

Update 2008Hong SH et al. (2008) Plant J (April 2008)

Nový transkripční faktor BIT1 (MYB transcription factor Blue Insensitive Trait 1)Tma: degradace BIT1 působením COP1 BL: BIT1 stabilizován CRY1 není = konstitutivní

fotomorfogenezeTma: degradace BIT1 působením COP1. BL: BIT1 stabilizován CRY1, není degradován. BIT1 se váže k promotoru Pdbs (člen light-harvesting complex genů) a tak aktivuje jeho expresi.

MF 17

Faktory regulující COP1 - kvasinkový dvouhybridní skríning

MFPSB

Faktory regulující COP1 - kvasinkový dvouhybridní skríning- genetické interakce- purifikace proteinových komplexů

1) Proteiny SPA

- regulují funkci COP1 v signální dráze phyA- obsahují N-terminální kinase-like doménu, coiled-coil doménu, WD40 na C-konci

WD40 vysoce homologní k WD40 doméně COP1- WD40 vysoce homologní k WD40 doméně COP1- fyzicky interagují s COP1 prostřednictvím coiled-coil domény

WD40NES NISRING Coiled-coil

COP10CIP8

SPA1-4, COP1, CIP1,

CIP4, CIP7

HY5, HYH, STO, HFR1, cry1, cry2, phyA, phyB

,

Mechanizmus regulace COP1 proteiny SPA není znám.

- zvyšují aktivitu (fosforylací COP1) - usnadňují interakci COP1 se substráty- stabilizují COP1 komplexy

MF 18MFPSB

2) Kryptochromy

- na světle CRY1 a CRY2 jsou fosforylovány =>stávají se aktivními

- na světle CRY1 a CRY2 negativně regulují aktivitu COP1 asociací C-terminální domény CRY (CCT) s doménou WD40 proteinu COP1

j

CRY (CCT) s doménou WD40 proteinu COP1

- transgenní rostliny exprimující CCT1, CCT2 => cop1 fenotyp cop1 fenotyp

- transgenní rostliny s mutací v CCT – narušenainterakce s COP1 => bez cop1 fenotypu

MF 19

Navržený mechanismus regulace COP1 kryptochromy

MFPSB

Modré světlo => přenos elektronů uvnitř PHR => změna konformace CCT => autofosforylace CRY => aktivace kryptochromu

Navržený mechanismus regulace COP1 kryptochromy

Aktivní (Pi)n

Modré světlo

PHR = Photolyase-related doména; N- terminální doména

PHR CCT PHR CCTKináza

Fosfatáza

PHR CCTCRYNeaktivní

Aktivace kryptochromuAktivace kryptochromu

Deaktivace COP1

MF 20

3) COP/DET/FUS

MFPSB

3) COP/DET/FUS

Další geny: DET (DE ETIOLATED)FUS (FUSCA)

Mutanti s fenotypem konstitutivní fotomorfogeneze

Součástí dvou velkých komplexů:COP9 signalozomCDD komplex

COP9 signalozom konzervovaný u rostlin aCOP9 signalozom – konzervovaný u rostlin a živočichů; spojen s multi-komplexy E3 ubiquitin ligázy;reguluje aktivitu E3

CDD komplex – nalezen pouze u rostlin

Vztah mezi COP, DET a FUS není zatím znám:

- mutace cop/det/fus potlačuje jadernou akumulaci COP1t bilit CDD k l j tiž t í COP9 i l- stabilita CDD komplexu je postižena mutací v COP9 signalozomu

- mutace cop10 vede ke změně velikosti komplexu COP1

MF 21

c) COP1 a tumorogenezeMFPSB

c) COP1 a tumorogenezeCOP1 – velice konzervovaný u ryb, obojživelníků, ptáků a savců; nebyl identifikován u Drosophily ale byl nalezen u komáranebyl identifikován u Drosophily, ale byl nalezen u komára

MmCOP1 – role v tumorogenezi a reakcích ke stresům

Struktura savčího COP1 (MmCOP1)NE – umožňuje interakci COP1 s jadernou obálkouCOP1 s jadernou obálkou

COP1 migruje mezi jádrem a cytoplazmou. Má ale odlišné import a export signályimport a export signály(NIS, NES)

Coiled-coil doména – self –di i COP1 i t jdimerizace COP1; interaguje s DET1

COP1 interaguje s c-Jun, p53ř ía MVP prostřednictvím WD40

MF 22

Funkce COP1 v savčích buňkách

MFPSB

Funkce COP1 v savčích buňkách

Stejně jako u rostlin, živočišný COP1 je zapojen v ubiquitinaci proteinů. Jeho úloha u savců je však mnohem méně známa než u rostlinj

Tři známé substráty COP1: p53 (tumor suppressor protein)c-Jun (proto-oncogene)

p53 (tumor suppressor protein)

MVP (major vault protein)

COP1 degraduje p53: Overexprese COP1 Inhibice transkripce a apoptózy závislé na p53

p ( pp p )

COP1 byl overexprimován ve vysokém procentu v endokarcinomech prsu a vaječníků

Eliminace COP1 Zastavení buněčného cyklu v G1 fázi

Update 2008He L et al (2007) Nature 447: 1130 1134He L et al. (2007) Nature 447: 1130-1134

Transkripční factor p53 reguluje expresi genů kódujících microRNA (miR-34), které potlačují buněčné dělení. Hladiny microRNA jsou radikálně sníženy v nádorových buňkách.

MF 23U rostlin je aktivita COP1 regulována světlem.

MFPSB

Otázka: Co reguluje aktivitu COP1 u živočichů? Co způsobuje zvýšení či redukci exprese COP1?

Poškození DNA – důsledek UV a ionizačního záření

Poškození DNA p53

a ionizačního záření Protein ATM fosforyluje

COP1 na Ser387

P53 je nejčastěji mutovaným supresorem

Transport COP1 z jádra do cytoplazmy a autodegradace COP1

sup eso e

Update 2008Rozpad komplexu

COP1-p53

Update 2008

UVB indukuje mutaci (C=>T a CC=>TT) v genu p53. Mutace jsouspojené s vývojem rakoviny kůže. Mutace p53 - detekovány v myší kůži

Benjamin CL et al. (2008) Photochem Photobiol 84: 55-62

Zastavení ubiquitinace a degradace p53

dopředu před vypuknutím rakoviny. Využití: Testování opalovacíchkrémů.

Bensaad K, Vousden KH (2007) Trends in Cell Biology 17: 286-291

Apoptóza

Rakoviny ukazují metabolické změny vedoucí k upregulaci glykolýzy aspotřeby glukózy. p53 reguluje metabolismus glukózy a oxidativní stres- potlačování vzniku nádorů

MF 24MFPSB

c-Jun MVP

UV zářeníUV záření

Fosforylace MVPAkumulace c-Jun

Rozpad komplexu COP1-MVP

Iniciace transkripce AP-1 (activator protein)

Redukce transkripce AP-1

COP1 MVP

Redukce transkripce p53(activator protein)

A tóTumorogeneze

Apoptóza

MF 25

UV záření

Ionizační záření

MFPSB

UV záření

Poškození DNA

Stres

COP1P COP1MVPPATM

COP1

Transport do cytoplazmy

COP1c-Jun

P

MVPTransport do cytoplazmy

COP1P

p53COP1

c-JunP

MVPP

COP1P

Transport do cytoplazmy

c-JunP

AP-1

p53

MVP = major vault protein

COP1 = constitutive photomorphogenesis 1

p53Apoptóza ATM = ataxia telangiectasia mutated

AP-1 = activator protein

p53 = tumor suppressor protein

Tumorogenesisc-Jun = proto-oncogene

MF 26Použitá literaturaH SH l (2008) Pl J (A il 2008)

MFPSB

Hong SH et al. (2008) Plant J (April 2008)

Benjamin CL et al. (2008) Photochem Photobiol 84: 55-62Bensaad K, Vousden KH (2007) Trends in Cell Biology 17: 286-291

Jiao Y et al. (2007) Nature Reviews in Genetics 8: 217-230

He L et al. (2007) Nature 447: 1130-1134

Taiz L, Zeiger E (2006) Plant Physiology. 4th Edition, Sinauer Asociates, Inc. Publishers, Sunderland, Massachusetts

Hoeller D et al. (2006) Nature Reviews Cancer 6: 776-788

Dornan D et al. (2006) Science 313: 1122-1126

Burger A et al. (2006) Neoplasia 8: 689-695

Yi C, Deng XW (2005) Trends in Cell Biology 15: 618-625

Yi C et al. (2005) Cancer Res 65: 5835-5840

Dornan D et al. (2004) Cancer Research 64: 7226-7230

Wertz IE et al. (2004) Science 303: 1371-1374

Dornan D et al. (2004) Nature 429: 86-92

Dornan D et al. (2004) Cancer Research 64: 7226 7230

Bianchi E et al. (2003) J Biol Chem 278: 19682-19690Yi C et al. (2002) BMC Cell Biology 3: 30-46

MF 27Kdo jsou?MFPSB

Joanne ChoryVishva M Dixit The Salk Institute, La Jolla

Xing-Wang DengYale University, New Haven

Vishva M. DixitGenentech, Inc., San Francisco

?

Chunling Yi David DornanChunling YiYale University, New Haven

David DornanGenentech, Inc., San Francisco

MF 28

Klíčová slova pro příští přednáškuMFPSB

Klíčová slova pro příští přednášku

Boron

Boron transporter

Boron Borate transport

NaBC1

NIP5 1Boron transport

Boron channel Na+-coupled borate transporter

Boric acidNIP5;1

BOR1

Xylem loading

NCBI:

Google: http://www.google.cz/http://www.ncbi.nlm.nih.gov/