Jana Hackbusch

The organization of living cells is based on networks of interacting molecules. Systematic analysis of protein interactions of 3-aa loop extension (TALE) homeodomain proteins, fundamental regulators of plant meristem function and leaf development, revealed a highly connected, complex network. The network includes nine members of Arabidopsis thaliana ovate family proteins (AtOFPs), a plant-specific protein family, indicating a close functional connection to TALE homeodomain proteins. Evidence is provided that AtOFP1 is an essential pleiotropic developmental regulator. AtOFP1 and AtOFP5 are shown to associate with the cytoskeleton and to regulate subcellular localization of TALE homeodomain proteins, suggesting a previously unrecognized control mechanism in plant development.

Die Homöodomänen-Proteine stellen eine Gruppe von Transkriptionsfaktoren dar, die eine zentrale Rolle in den Entwicklungs-Prozessen aller mehrzelliger Organismen spielt. Die TALE-Superfamilie der Homöodomänen-Proteine wird in Pflanzen von den Familien der BEL- und der KNOX-Gene kodiert. Über die Funktion der pflanzlichen TALE-Proteine ist bisher wenig bekannt. In dieser Arbeit wurde in dem Modellorganismus Arabidopsis thaliana die TALE-Superfamilie als Ganzes betrachtet und mittels genetischer, molekular- und zell-biologischer Ansätze ein gemeinsamer Regulationsmechanismus gefunden. Es wurden Mangelmutanten aller BEL-Gene mit Hilfe der RNAi-Technik hergestellt sowie T-DNA-Insertionslinien einiger BEL-Gene charakterisiert. Ferner wurden die Auswirkungen einer Überexpression dieser Gene unter Kontrolle des ubiquitären CaMV35S-Promotors untersucht. Mittels der RNAi-Technik konnte der bereits früher veröffentlichte bel1-Phänotyp erzeugt werden, der eine Missbildung der Ovulen verursacht. Eine Störung der BLH9-Expression durch RNAi führte in den Pflanzen zu einer veränderten Phyllotaxis. Die Überexpression des ATH1-Gens beeinflusste das Streckungswachstum des Stängels, während die Überexpression von BLH4 zur Bildung steriler Blüten führte. Die BEL-Gene scheinen also Funktionen bei der Entwicklung unterschiedlicher Organe zu haben, die teilweise redundant sind, da die Unterdrückung der Expression von nur zwei der zwölf BEL-Gene einen offensichtlichen Effekt zeigte. Die Funktion der TALE-Proteine im Hinblick auf ihre Einbindung in die zellulären Netzwerke wurde mit Hilfe des Hefe-zwei-Hybrid-Systems untersucht. Diese Untersuchungen ergaben ein Interaktions-Netzwerk der TALE-Proteine, das alle topologischen Charakteristika eines funktionalen Moduls aufweist. In diesem Netzwerk enthalten sind neun Mitglieder einer neuen pflanzlichen Proteinfamilie (AtOFPs), die durch das Vorhandensein einer konservierten C-terminalen Domäne von 60 Aminosäuren gekennzeichnet ist. Diese sogenannte OVATE-Domäne interagiert mit der Homöodomäne der TALE-Proteine. Anhand von Analysen verschiedener AtOFP1-T-DNA-Linien konnte gezeigt werden, dass eine vollständige Unterbrechung der Genexpression letal ist. Die Überexpression von AtOFP1 führt sowohl in Arabidopsis als auch in Tabak zu allometrischen Veränderungen, die vermutlich durch einen generellen Einfluss auf die Zellzyklus-Kontrolle hervorgerufen werden. Für die Proteine AtOFP1 und 5 konnte gezeigt werden, dass sie am Cytoskelett assoziiert sind und bei einer Koexpression mit BLH1 dessen Relokalisation aus dem Zellkern ins Cytoplasma bewirken. Diese Eigenschaft der AtOFPs korreliert mit der Interaktions-Fähigkeit, da eine Koexpression mit einem im Hefe-zwei-Hybrid-System nicht interagierenden BEL-Protein keine Änderung der Kern-Lokalisation nach sich zieht. Ein allgemeiner Kontrollmechanismus, mit dem die AtOFPs die Präsenz der TALE-Proteine im Zellkern regulieren, wird postuliert. Weiterhin ist es möglich, dass die AtOFPs über die Assoziation von TALE-Proteinen an die Mikrotubuli einen ersten Schritt im Verständnis der Prozesse darstellen, die für den Zell-Zell-Transport der KNOX-Proteine verantwortlich sind. Die Entdeckung der AtOFPs als Bestandteile des regulatorischen Netzwerkes der TALE-Proteine ermöglicht eine neue Herangehensweise an die Aufklärung der Funktion dieser Homöodomänen-Proteine.