Növényi Foto- és Kronobiológiai Csoport

Kutatás

A Növényi Foto- és Kronobiológiai Csoport kutatási témái három szorosan kapcsolódó fő programra fűzhetők fel.

A három program fő célja:

I, a növényi fényszabályozás molekuláris mechanizmusának megértése.

II, a növényi cirkadián óra szabályozásának feltárása.

III, a növényi génexpresszió minőségbiztosítási rendszereinek megismerése, biológiai szerepük vizsgálata.

I, A növények helytülő élőlények, így a folytonosan változó környezethez csak élettani és fejlődési programjaik módosításával alkalmazkodhatnak. A növények igen sokféle környezeti jel érzékelésére és feldolgozására alkalmas szabályozórendszerrel rendelkeznek. A fény a növények számára nemcsak a fotoszintézis, az energiatermelés alapja, hanem a legfontosabb környezeti jel is, melynek intenzitása és összetétele egyaránt fontos. A fény alapvető szabályozó szerepet játszik a növényi életműködés, fejlődés minden lépésénél. Ezért a növényi fényreguláció molekuláris alapjainak megértése alapkutatási szempontból kiemelt jelentőségű, de az eredmények fontosak lehetnek az ökológusok számára, és hosszabb távon felhasználhatóak a növénynemesítésben is. A programon belül jelenleg három fő témánk van: (I/1) A fitokrómok jelátvitelének funkcionális vizsgálata, illetve (I/2) A poszt-transzlációs módosítások szerepe a növényi fényszabályozásban.

II, A növények normális fejlődéséhez elengedhetetlen, hogy a külső jelek és a belső biológiai ritmusok összhangban legyenek. A legfontosabb a napi, cirkadián ritmus, mely a Föld tengelykörüli forgása miatt kialakuló nappal-éjszaka ciklushoz történő alkalmazkodást teszi lehetővé. A cirkadián óra biztosítja pl., hogy a fotoszintetikus rendszer elemei készen legyenek a napfelkeltére és így kihasználhassák a teljes világos időszakot. A belső ritmusok szabályozásában a külső jeleknek, elsősorban a fények, fontos ritmusadó, beállító szerepe van. A csoport másik fő kutatási programja a növényi cirkadián óra működésének, szabályozásának a megismerését célozza. Programunk során a korábban általunk azonosított cirkadián szabályozásban szerepet játszó gének jellemzését, biológia szerepük feltárását végezzük.

III, A normál génműködéshez a mennyiségi szabályozó rendszerek mellett nélkülözhetetlenek a génexpresszió minőségbiztosítási (quality control) rendszerei is. Ezek a rendszerek felelnek a génexpresszió megbízhatóságáért, biztosítják, hogy csak hibátlan géntermékek képződhessenek-akkumulálódhassanak a sejtekben. Bár a quality control rendszerek a DNS replikációtól a fehérjék poszt-transzlációs módosításáig a génexpresszió minden szintjén hatnak, a legtöbb minőségbiztosítási rendszer a mRNS-ek szintjén hat. Mivel számos humán betegség hátterében valamely quality control rendszer hibája áll, a minőségbiztosítási rendszereket élesztőben, állatokban, nagyon intenzíven vizsgálják. Ezzel szemben a növényi quality control rendszerekről nagyon keveset tudunk. Célunk a transzlációhoz kapcsolódó növényi quality control rendszerek megismerése, kapcsolataik feltárása, szabályozásuk megértése.

I. A növényi fényszabályozás molekuláris mechanizmusa

 I/1. A fitokrómok jelátvitelének funkcionális vizsgálata

A fitokrómok a vörös és távoli-vörös fény érzékelésében kulcsszerepet játszó fotoreceptorok. Arabidopsis thaliana-ban ötféle, részben átfedő funkciójú fitokrómot ismerünk. Bár a fitokrómok által kiváltott génexpressziós változásokról igen sokat tudunk, az egyes fitokrómok biológiai szerepéről, az általuk aktivált jelátviteli utakról és a fitokróm rendszer finomszabályozásáról nincs pontos képünk. Egy hosszú távú program keretében a csoport kidolgozott egy kivételes kísérleti rendszert, amelyben mód nyílik arra, hogy a fitokrómok szerepét egyenként, illetve tetszés szerinti kombinációban vizsgáljuk. A különböző fitokróm kombinációkat tartalmazó vonalakat előállítottuk, így most meghatározhatjuk az egyes fitokrómok biológiai szerepét, illetve elemezhetjük a fitokrómok közti kapcsolatokat. A jelátviteli utak feltérképezése lehetővé teszi, hogy fényreguláltan kapcsoljunk be, illetve ki géneket. Ezek az útvonalak beépíthetőek más organizmusokba is, pl. sikerrel alkalmaztuk muslica modell szervezetben, illetve emlős sejtekben is. A program eredményei mind alapkutatási, mind agrárkutatási szempontból jelentősek lehetnek.

I/2. A poszt-transzlációs módosítások szerepe a növényi fényszabályozásban

A növényi fényszabályozás bonyolult, sok szinten szabályozott rendszer. Már régen ismert, de a technikai nehézségek miatt kevéssé kutatott terület a poszt-transzlációs szabályozás szerepe a fényszabályozásban. Csoportunk hosszabb ideje szisztematikusan tanulmányozza a fényreguláció kulcsfehérjéinek a poszt-transzlációs módosításait. Kimutattuk, hogy a fitokróm B esetén mind a foszforiláció, mind a SUMO-iláció fontos szabályozó szerepet játszik. Azonosítottunk továbbá több fehérje módosítást a fitrokróm A fotoreceptor, a fitrokróm szabályozás egyik fontos faktora a PIF3, illetve az UV-B fotoreceptor UVR8 fehérje esetén is. Feltételezésünk szerint ezek a módosítások alapvető szerepet játszanak a fényszabályozásban. Ennek tisztázásához a vizsgált gének helyett olyan változatokat építenénk be, amelyek termelik ugyan az adott fehérjét, de poszt-transzlációsan nem módosíthatóak, vagy folyamatosan hordozzák a módosításokat. Ezek és a vad növények összevetésével feltárhatjuk a módosítások biológia szerepét. A program sikere érdemben hozzájárulhat a növényi fényreguláció finomszabályozásának a megértéséhez.

II. A növényi cirkadián óra szabályozása 

Az eukarióta cirkadián órák valójában oszcilláló génhálózatok, amelyekben az elsődleges ritmus az óragének transzkripciójának szintjén alakul ki, majd több kiegészítő szabályozó mechanizmus közreműködésével állítódik kb. 24 órás periódusra. A Föld forgásához igazított periódus nagyon fontos az óra és a környezet közti összhang fenntartása szempontjából. Egy sikeres mutáns szűrés során Arabidopsis thaliana növényekben azonosítottunk két olyan mutációt, amelyek eddig ismeretlen periódust szabályozó mechanizmusok létére utalnak.

Az első mutációt egy ubikvitin proteázt (UBP12) génben találtuk, amely ubikvitint távolít el fehérjékről, többek között órafehérjékről is. Az általunk azonosított mutáció vizsgálata arra utal, hogy a proteáz aktivitását, vagyis az órafehérjékre gyakorolt stabilizáló hatását, egy specifikus pozíciójú aminosav foszforilációja gátolja. Az UBP12 ortológjai megtalálhatóak szinte valamennyi eukarióta szervezetben, több esetben az adott szervezet órájának szabályozásában betöltött szerepét is igazolták. Az általunk azonosított, potenciálisan foszforilálódó aminosav meglepően erős konzerváltságot mutat a különböző UBP12-szerű fehérjék körében. Ezért terveink között szerepel annak tesztelése, hogy a foszforiláció az egymással távoli rokonságban álló szervezetekben is hasonlóan szabályozza-e az ubikvitin proteáz aktivitását, és ezen belül annak cirkadián funkcióját.

A másik cirkadián mutáns (UHD1) egy érdekes szerkezetű proteint kódol, amely egy általános kölcsönható felszínt reprezentáló motívumot tartalmaz az N-terminális végen, míg a megtalált mutáció egy egyelőre ismeretlen funkciójú domént azonosít a C-terminálison. A fehérje jellemzése során fizikai kölcsönhatást fedeztünk fel az UHD1 és egy központi órafehérje, a TOC1 között. Kimutattuk, hogy az uhd1 mutánsban az óragének kifejeződésének változása rendkívül hasonló a TOC1 túltermelésre adott transzkripciós válaszhoz. Mindezek arra utalnak, hogy az UHD1 valószínűleg közvetlenül befolyásolja a TOC1 funkcióját. Fő célunk az UHD1-TOC1 fizikai/funkcionális kapcsolat molekuláris szintű feltárása.

A program jelentősen kiegészíti a növényi cirkadián szabályozással kapcsolatos ismereteinket, és hozzájárulhat a cirkadián szabályozás evolúciójának jobb megértéséhez.

III. A növényi génexpresszió minőségbiztosítási rendszereinek működése, biológiai szerepük vizsgálata

 A quality control rendszerek jelentős része a transzlációhoz kapcsoltan működik, számos mRNS hibát csak a transzláció során lehet felismerni, illetve a hibás fehérjéket érdemes még a szintézis során, vagy kevéssel utána javítani vagy lebontani. Programunk során két transzlációhoz kapcsoltan működő mRNS minőségbiztosítási rendszert, (III/1) a korai stop kodonnal rendelkező hibás mRNS-ek azonosításáért és degradációjáért felelős Nonsense-mediated mRNA decay (NMD) rendszert, illetve (III/2) az elongációt gátló szerkezeteket tartalmazó hibás mRNS-ek lebontásáért felelős No-go decay (NGD) rendszert vizsgálja.

III/1. A növényi NMD rendszer szerepe a stresszválaszokban, illetve haploid algákban

Korai stop kodont tartalmazó mRNS-ekről potenciálisan domináns-negatív csonka fehérjék szintetizálódhatnak, ezért az ilyen hibás mRNS-ek felismerése és lebontása igen fontos. Korábban azonosítottuk a növényi NMD cisz és transz faktorait, szabályozását. Stresszek idején a hibás géntermékek aránya nő, ezért feltételezzük, hogy a quality control rendszerek fontos játszhatnak a növényi stresszválaszokban. Mostani programunk során a MATE Növényi stresszbiológia kutatócsoportjával együttműködve az NMD hőstresszben játszott szerepét vizsgáljuk. Meglepetésre azt találtuk, hogy a hőstressz során a transzláció terminációs lépéséhez kapcsolódó NMD együttműködik a TFIIS szabályozta transzkripciós quality control rendszerrel. A program során fel kívánjuk tárni a kapcsolat molekuláris alapjait, biológiai szerepét.

Az NMD-t eddig csak diploid vagy poliploid organizmusokban vizsgálták. Ezekben az NMD előnye nyilvánvaló, ha a korai stop kodont hordozó mRNS-t kódoló mutáció heterozigóta formában van jelen, a hibás allélról képződő aberráns mRNS-ek lebontása hasznos, hiszen így csak a normál allélról képződő vad típusú mRNS-ek transzlálódhatnak, csak normál fehérje szintetizálódik. Haploid algákban, így a Chlamydomonasban azonban ez nem nyilvánvaló, hiszen felvethető, hogy a csonka fehérje is jobb, mint ha nem képződik fehérje egy hibás génről. Célunk, annak tisztázása, hogy működik-e az NMD Chlamydomonasban. Azonosítottuk az NMD komponenseket a zöld algában, majd igazoltuk, hogy a korai stop kodonos mRNS-ek alacsony szinten expresszálnak Chlamydomonasban is. Meglepetésre azonban az NMD két kulcsgénjének kiütése nem vezetett a korai stop kodonos mRNS-ek szintjének emelkedéséhez. Úgy tűnik tehát, hogy Chlamydomonasban a korai stop kodonos aberráns mRNS-ek lebontásáért egy NMD-től független mechanizmus felel.

III/2 A növényi NGD rendszer és kapcsolata a fehérje szintű minőségbiztosítási rendszerekkel

Korábban igazoltuk, hogy növényekben a transzláció elongációját gátló szerkezeteket hordozó mRNS-ek lebontásért a No-go decay (NGD) rendszer felel. Igazoltuk, hogy a hosszú adenin sorozat a transzláció elakadásához vezet, mely a mRNS vágását, illetve gyors degradációját okozza. Jelenlegi programunk során feltártuk, hogy az NGD kapcsolódik egy fehérje szintű minőségbiztosítási rendszerhez, a Ribosome associated quality control (RQC) rendszerhez. Miután azonosítottuk az RQC kulcsfaktorait, most az RQC és NGD kapcsolat molekuláris alapjait tanulmányozzuk, illetve fel kívánjuk tárni, milyen szerepet játszik az NGD-RQC rendszer az biotikus stresszválaszokban.

A növényi quality control rendszerek működének jobb megértése nem csak alapkutatási szempontból lehet fontos, a minőségbiztosítási rendszerek stresszválaszokban betöltött szerepének megismerése segítheti a növénynemesítést, hozzájárulhat a hatékonyabb stressznemesítéshez is.