Kutatás - Növénybiológiai Intézet - Növényi Növekedés Molekuláris Szabályozása Csoport

MAGYAR Zoltán
Csoportvezető,
Tudományos főmunkatárs

picture
BATTANCS Gyöngyi Angéla Asszisztens

A NÖVÉNYI NÖVEKEDÉS MOLEKULÁRIS SZABÁLYOZÁSA

A növényi fejlődés és növekedés lényegesen eltér az állatokétól, mégis mind a növényi mind pedig az állati egyedek mérete fajra jellemzően alakul ki, és a genetikai program által irányítottan történik generációról generációra. A környezeti változások jelentősen befolyásolhatják a növekedés mértékét. Különösen igaz ez a növényekre, amelyek érzékenyen, növekedésük mértékének a megváltoztatásával alkalmazkodnak a külső feltételekhez. Éppen ezért a növényi növekedést meghatározó molekuláris szabályozási rendszereknek a megértése nem csak tudományos, hanem gyakorlati szempontból is, korunk egyik legizgalmasabb növény-biológiai problémája.

A kutatásaink középpontjába olyan gének kerültek, amelyek a növekedés két alapvető folyamatát, a sejtosztódást és a sejtmegnyúlást szabályozzák. Lényegében ennek a két fő folyamatnak az egyensúlya határozza meg a növények, illetve szerveik növekedésének a mértékét (1. ábra). A jelenleg fennálló modell alapján az egyensúly molekuláris szabályozásában egy, az evolúció során konzerválódott mechanizmus játszik kulcs szerepet, amelyet a benne résztvevő szabályozó elemekről E2F-RB-nek neveztek el. A Retinoblasztoma (RB) az első rákos sejtburjánzást gátló gén volt, amelyet emlős sejtekből izoláltak, míg az E2F (adeno virus E2 faktor) transzkripciós faktort az RB-el komplexet formáló képessége alapján azonosították. Napjainkra világossá vált, hogy az E2F-RB szabályozási mechanizmus nemcsak a sejtosztódásban, hanem a differenciálódásban és a sejthalálban résztvevő szabályozó géneket is kontrolálja. Ezzel összhangban az E2F-RB komplexek olyan transzkripcionális szabályozási egységeknek tekinthetők, amelyek a fejlődési stádiumtól és a környezeti változásoktól függően számtalan gén működését képes mind pozitív mind pedig negatív értelemben szabályozni. Az E2F-RB szabályozási mechanizmusa meglepően jól konzerválódott a növényekben is, így a molekuláris növénybiológiai kutatások modell növényében, az Arabidopsis thaliana-ban, egyetlen RB-rokon fehérje van (RBR1), amely három E2F-el képes komplexet alkotni (E2FA, E2FB és E2FC). Ezeknek a géneknek a funkcionális és genetikai analízise alapján a növényi E2F-RB szabályozási mechanizmus is a sejtosztódás és a differenciálódás közötti egyensúlyt koordinálja. Kezdeti eredmények arra engednek következtetni, hogy a három E2F-nek egymástól eltérő funkciója is van, valamint működésükben az RBR1 meghatározó szerepet játszik. Kutatásaink révén a következő, főbb kérdésekre keressük a válaszokat:

1. A növényi szervek fejlődése során a különböző RBR1-E2F komplexek milyen géneket szabályoznak?
2. Milyen molekuláris mechanizmus révén szabályozzák az E2F-RBR1 komplexek a gének kifejeződését?
3. A környezeti változások hogyan és milyen jelátviteli csatornákon keresztül befolyásolják az E2F-RB szabályozási mechanizmus működését?

Kísérleti rendszerként az Arabidopsis növények első levél párját használjuk a fejlődés különböző stádiumaiból (1. ábra), mivel ezek a szakaszok időben jól elkülöníthetők egymástól. Sikerült olyan E2F-RBR1 transzgenikus Arabidopsis vonalakat létrehozni, amelyekben az E2F-RBR család különböző tagjainak genomikus kópiáját vittük be a zöld fluoreszkáló fehérjével (GFP) fuzionálva. Ezeknek a növényeknek a segítségével szeretnénk meghatározni a különböző E2F és RBR1 fehérjék célgénjeit kromatin immunoprecipitálási módszeren alapuló technika segítségével (ChIP-Seq-nek rövidítve). Tömegspektrometriás mérések alkalmazásával szeretnénk, megtudni milyen más összetevői lehetnek az E2F-RBR1 fehérje komplexeknek, amely révén bepillantást nyerhetünk arról, vajon a növényi E2F és RBR fehérjék is, akárcsak állati megfelelőik a kromatin szerkezetét befolyásolva szabályozzák-e a gének kifejeződését. A legmodernebb tömegspektrometriás műszerek segítségével azonosítani szeretnénk azokat a poszt-transzlációs változásokat is, amelyek az E2F és RBR1 fehérjéken következnek be a környezeti stressz helyzetek hatására.



1. ábra: A növényi szervek méretét meghatározó szabályozási mechanizmusok. (a) A levélnek, mint növényi szervnek a fejlődése két fő szakaszból áll: a sejtosztódási szakaszból, valamint az ezt követő sejtmegnyúlási-differenciálódási fázisból. A differenciálódás a levél csúcsától a levél alapja felé halad (basipetalis gradiens), amelyet az ábrán a nagyobb sejt (cella) méret és a sötétebb zöld színárnyalat reprezentál. Az osztódást indukáló szignálókat a piros nyíl, míg a differenciálódást stimuláló és az osztódást leállító mechanizmusokat a fekete nyíl jelzi. (b,c) Nagyobb levél jön létre (b) ha az osztódási jel erősebb (rövidebb idő alatt többet osztódnak a sejtek), illetve (c) ha az osztódási fázis hosszabb ideig tart. Mind a két esetben több sejt keletkezik, de az ezt meghatározó mechanizmusok eltérőek

Válogatott közlemények

Magyar, Z., Atanassova, A., De Veylder, L., Rombauts, S. and Inze, D. (2000). Characterization of two distinct DP-related genes from Arabidopsis thaliana. FEBS Letters 486(1): 79-87.

Vlieghe, K., Boudolf, V., Beemster, G.T., Maes, S., Magyar, Z., Atanassova, A., de Almeida Engler, J., De Groodt, R., Inze, D. and De Veylder, L. (2005). The DP-E2F-like gene DEL1 controls the endocycle in Arabidopsis thaliana. Current Biology 15(1): 59-63.

Magyar, Z., De Veylder, L., Atanassova, A., Bakó, L., Inzé, D. and Bögre, L. (2005). The role of the Arabidopsis E2FB transcription factor in regulating auxin-dependent cell division. Plant Cell 17(9): 2527-2541.

Mészáros, T., Helfer, A., Hatzimasura, E., Magyar, Z., Serazetdinova, L., Rios, G., Bardoczy, V., Teige, M., Koncz, C., Peck, S. and Bögre, L. (2006). The Arabidopsis MAP kinase kinase MKK1 participates in defence responses to the bacterial elicitor flagellin. Plant Journal. 48(4): 485-498.

Horváth, B.M., Magyar, Z., Zhang, Y., Hamburger, A.W., Bakó, L., Visser, R.G., Bachem, C.W. and Bögre, L. (2006). EBP1 regulates organ size through cell growth and proliferation in plants. EMBO Journal 25(40): 4909-4920.

Lopez, E., Dillon, E., Magyar, Z., Khan, S., Hazeldine, S., de Jager, S., Murray, J., Beemster, G., Bögre, L. and Shanahan, H. (2008). Distinct light-mediated gene expression and cell cycle program in the shoot apex and cotyledons. Plant Cell 20(4): 947-968.

Magyar, Z. (2008). Keeping the balance between proliferation and differentiation by the E2F transcriptional regulatory network is central to plant growth and development. In: Plant Growth Signaling ed. by László Bögre and Gerrit Beemster; Springer; Plant Cell Monographs. Vol. 10. pp 89-105.

Bögre, L., Magyar, Z. and Lopez-Juez, E. (2008). New clues to organ size control in plants. Genome Biology 9(7): 226.