GLABRA2 regulates gene expression via its own EAR-motif mediated recruitment of the TPL/TPR corepressors

In de microscopische wereld van een plant moet elke cel precies weten wat hij hoort te worden. Een cel aan het oppervlak van een blad moet taai en beschermend zijn, terwijl een cel aan de punt van een wortel zacht moet zijn en in staat moet zijn om water op te nemen. Deze beslissing is niet willekeurig; ze wordt gedicteerd door een reeks instructies binnen de celkern. Deze instructies worden uitgevoerd door eiwitten genaamd transcriptiefactoren, die fungeren als schakelaars die specifieke genen aan- of uitzetten om de ontwikkeling van de cel te sturen. Soms zetten deze schakelaars genen hoger aan om iets op te bouwen, en soms zetten ze genen lager aan om een proces te stoppen. Begrijpen hoe één enkel eiwit beide van deze tegenovergestelde taken kan uitvoeren, is een centrale vraag in de plantenbiologie, want zonder deze precieze controle kan een plant niet de complexe structuren ontwikkelen die hij nodig heeft om te overleven.

Wetenschappers weten al lang dat er een specifiek eiwit bestaat in de modelplant Arabidopsis genaamd GLABRA2, of GL2 voor kort. Dit eiwit is essentieel voor de epidermis van de plant, de buitenste laag cellen die de huid van de plant vormt. GL2 helpt te bepalen of een cel zal uitgroeien tot een haarachtige structuur genaamd een trichoom, of glad zal blijven, en het beslist ook welke wortelcellen haren zullen groeien om water te drinken en welke glad zullen blijven. Hoewel onderzoekers wisten dat GL2 bindt aan DNA om deze genen te controleren, bleef het exacte mechanisme waarmee het als zowel een bouwer als een breker optrad een mysterie. Het nieuwe onderzoek dat in dit artikel is gepubliceerd, onthult eindelijk het verborgen instrument dat GL2 gebruikt om genen te onderdrukken, waarbij wordt getoond hoe het fysiek een team van moleculaire helpers rekruteert om het DNA te herschikken en bepaalde instructies te stoppen met het lezen ervan.

De onderzoekers begonnen door nauwkeurig naar de structuur van het GL2-eiwit zelf te kijken. Ze merkten twee kleine, specifieke regio's op binnen het eiwit die leken op bekende "uit-schakelaars" die in andere eiwitten worden gevonden, bekend als EAR-motieven. Deze motieven zijn korte sequenties van aminozuren die vaak fungeren als signalen om andere eiwitten te rekruteren die de genactiviteit onderdrukken. Het team concentreerde zich op de een die zich nabij het begin van het GL2-eiwit bevond, het N-terminale motief, omdat het sterk geconserveerd leek, wat betekent dat het bijna exact hetzelfde is gebleven gedurende de evolutie van veel verschillende plantensoorten. Om te testen of deze specifieke regio de sleutel was tot het vermogen van GL2 om genen te onderdrukken, maakten de wetenschappers gemodificeerde versies van het eiwit. Ze verwijderden het N-terminale motief volledig of veranderden een paar van de bouwstenen zodat het niet meer kon functioneren.

Toen deze gemodificeerde planten werden gekweekt, waren de resultaten duidelijk. De planten met het defecte N-terminale motief ontwikkelden zich op sommige manieren normaal, maar vertoonden duidelijke gebreken in hun epidermale cellen. De trichomen op hun bladeren waren niet volledig gevormd, de wortelcellen die glad hadden moeten zijn, groeiden haren in plaats daarvan, en de zaadhuidmucilage was defect. Dit gaf aan dat zonder dit specifieke motief, GL2 niet in staat was om de genen die voorkomen dat deze cellen de verkeerde identiteit aannemen, op de juiste manier uit te schakelen. In contrast hiermee, toen de wetenschappers het andere motief dat aan het einde van het eiwit werd gevonden, veranderden, slaagde het volledige GL2-eiwit er niet in om de celkern binnen te gaan, wat suggereert dat deze tweede regio simpelweg nodig was om het GL2-eiwit correct te laten vouwen zodat het zijn werk kon doen. Het experiment bevestigde dat het N-terminale motief de functionele schakelaar voor onderdrukking was, en niet slechts een structurele noodzaak.

Om te begrijpen hoe deze schakelaar werkte, zocht het team naar de partners die GL2 zou kunnen oproepen. Ze ontdekten dat het N-terminale motief fungeert als een directe uitnodiging voor een groep eiwitten die bekend staan als TOPLESS en TPL-GERELATEERDE eiwitten. Dit zijn corepressoren, oftewel moleculaire machines die helpen genen te verzwijgen. De onderzoekers toonden aan dat GL2 via zijn N-terminale motief fysiek vastgrijpt aan deze corepressoren. Eenmaal verbonden, beweegt dit complex naar het DNA en rekruteert het andere enzymen die het chromatine modificeren, het materiaal waar DNA omheen gewikkeld is. Door de manier waarop het DNA is verpakt te veranderen, maakt de cel het moeilijk voor de gen-lezende machinerie om toegang te krijgen tot bepaalde instructies, waardoor ze effectief worden uitgezet. Dit proces is wat GL2 in staat stelt om een wortelcel te stoppen met het groeien van een haar of een bladcel te stoppen met het worden van een trichoom.

De studie bood ook een manier om te bewijzen dat deze interactie de enige oorzaak van de defecten was. De onderzoekers namen de defecte versie van GL2 die niet langer in staat was om de corepressoren te rekruteren en hechtten daar een ander, bekend repressiesignaal aan vast. Wanneer zij dit deden, werden de epidermale defecten van de plant hersteld en ontwikkelden de cellen zich weer correct. Dit reddingsexperiment bevestigde dat het enige dat ontbrak aan de defecte GL2 het vermogen was om de repressoren binnen te brengen. Bovendien, door de genetische activiteit van normale zaailingen te vergelijken met die van de planten met het defecte GL2, zagen de onderzoekers dat honderden genen onjuist tot expressie kwamen wanneer het N-terminale motief ontbrak. Deze transcriptoomanalyse toonde aan dat het motief essentieel is voor het afstemmen van de expressie van genen die vereist zijn voor een goede epidermale ontwikkeling.

De bevindingen ondersteunen een model waarbij GL2 niet alleen op het DNA zit en het direct blokkeert. In plaats daarvan fungeert het als een brug, waarbij het zijn N-terminale EAR-motief gebruikt om de TOPLESS en TPL-GERELATEERDE corepressoren aan te trekken. Deze corepressoren brengen vervolgens andere histon-modificerende eiwitten mee, die fungeren als een slot op het chromatine, waardoor het voorkomen dat de genen gelezen worden. Dit mechanisme stelt GL2 in staat om te schakelen van een activator naar een repressor afhankelijk van de context, waardoor wordt gewaarborgd dat de buitenste laag van de plant zich ontwikkelt met de juiste mix van gladde en harige cellen. Door deze specifieke interactie te identificeren, verheldert het artikel hoe een enkele transcriptiefactor de delicate balans van celidentiteit in de plantenwereld kan handhaven.