Retele de Gene Implicate in Raspunsul Indus de Gibereline La Plante

24

Buletinul AM. tiinele vieii. Nr. 2(323) 2014 Buletinul AM. tiinele vieii. Nr. 2(323) 2014Buletinul AM. tiinele vieii. Nr. 2(323) 2014 Buletinul AM. tiinele vieii. Nr. 2(323) 2014

REELE DE GENE IMPLICATE N RSPUNSUL INDUS DE GIBERELINE LA PLANTE

Munteanu Viorel, Martea Rodica, Gordeev Victor, Port Angela, Duca Maria

Laboratorul de Bioinformatic, Centrul Universitar de Biologie molecular,Universitatea Academiei de tiine a Moldovei

RezumatInvestigaiile au fost axate pe utilizarea instrumentelor bioinformatice i a resurselor de date pentru Arabidopsis thaliana L. n analiza a 205 gene/EST (Expressed Sequence Tag) la Helianthus annuus L. Datele obinute indic asupra unor poteniale interaciuni genice, domene proteice, motive reglatoare care asigur rspunsul organismului la stimulii interni i externi prin semnalizarea indus de gibereline i a interferenelor acesteia cu ali fitohormoni. A fost evideniat oportunitatea utilizrii instrumentelor bioinformatice n interpretarea i predicia proceselor fiziologice.

Articole de fond Articole de fond

Buletinul AM. tiinele vieii. Nr. 2(323) 2014 Buletinul AM. tiinele vieii. Nr. 2(323) 2014

25


Cuvinte-cheie: A. thaliana, bioinformatic, gibereline, reele de gene, H. annuus L.Depus la redacie 21 iulie 2014.---------------------------------------------------------------------------------------------------------Adresa pentru coresponden: Rodica Martea, Laboratorul de Bioinformatic, Centrul universitar de Biologie molecular, Universitatea Academiei de tiine a Moldovei, str. Academiei, 3/2, MD 2028 Chiinu, Republica Moldova; e-mail: [email protected].

IntroducereSistemele vii prezint proprieti unice de adaptare fa de condiii variate att pe

parcursul ontogenezei, ct i ca rspuns la diferii factori ai mediului externi i interni. Nivelul complex al unui astfel de comportament este determinat de structura reelelor reglatoare de gene, de interaciuni protein-protein, etc., [25]. La nivelul acestor reele se ntlnesc diverse motive, care au o frecven mult mai nalt dect ar fi de ateptat [33] i indic conservarea i amplificarea acestora pe parcursul evoluiei, determinat de asocierea cu proprieti funcionale unice [31]. Motivele de baz includ: buclele feed-forward, motivele bifan, buclele feed-back, fiecare din ele fiind asociate cu tipare distincte de reacie, spre exemplu: rspuns la intensitatea nalt a stimulilor [19, 36], eficiena i caracterul sincron sau imediat al unor evenimente de semnalizare odat ce sunt declanate [10], abilitatea de autodiminuare a unui stimul odat cu timpul [2, 35], existena strilor duale de expresie a sistemelor de gene etc. [37].

Reprezentarea datelor sub form de reele faciliteaz identificarea de motive ele-mentare, asociate cu un comportament complex, cum ar fi ciclul circadian [27], ciclul celular [12] etc. Pe lng aceasta, reelele au i rolul de integrare i sistematizare a cunotinelor referitor la interaciunile dintre factorii moleculari prin intermediul re-prezentrilor grafice, oferind o viziune de ansamblu asupra proceselor biologice i pronosticarea acestora, contribuind la elucidarea mecanismelor moleculare ce deter-min fenotipul [7] i facilitnd formularea de noi ipoteze ce urmeaz a fi confirmate experimental.

Un rol important n semnalizarea i interaciunea genelor revine fitohormonilor, care reprezint integratori i inductori n activitatea funcional a organismelor vii. La plantele superioare, fitohormonii sunt implicai n sporogenez i n manifestarea sexului [13, 48]. Aplicarea auxinelor la plantele dioice stimuleaz formarea florilor feminine, iar aplicarea giberelinelor (GA) - a florilor masculine [32, 47]. Tratarea exo-gen cu gibereline restaureaz androfertilitatea la genotipurile sterile [18] i induc steri-litatea masculin la plantele fertile, dereglnd derularea normal a programului genetic al microsporogenezei [3].

Reelele de semnalizare prin intermediul giberelinelor, topologic i funcional, sunt compuse din trei module:

de biosintez a giberelinelor - enzimele cheie sunt reprezentate de GA20ox i GA3ox, implicate n biosinteza giberelinelor prin convertirea secvenial a GA12 n GA4 [21]. n acelai timp, giberelinele C19 bioactive n anumite condiii de control sunt dezactivate de membrii familiei GA2ox [1, 8, 38, 41, 43], reprezentate de cinci membri la Arabidopsis;

de percepie a semnalului - reprezentat de receptorii GID1 (cu 3 gene orto-loage la Arabidopsis: GID1a, GID1b i GID1c [1, 8], care n urma cuplrii cu GA i


26


sporesc afinitatea fa de proteinele DELLA, rezultnd n formarea complexului GA-GID1-DELLA [8, 45];

de rspuns - recunoaterea proteinelor DELLA de ctre SCF E3 ubiquitin-ligaza prin intermediul proteinei F-box SLY1 [26], ceea ce conduce la ubiquitinarea i degradarea proteinelor DELLA de ctre proteozomi 26S [12, 46].

Scopul lucrrii a constat n utilizarea instrumentelor bioinformatice i resurselor de date existente la A. thaliana pentru elaborarea i analiza proprietilor reelei de interaciune a unor gene/EST-uri (Expressed Sequence Tag) la H. annuus, asociate cu androsterilitatea indus de GA

3, semnalizarea i rspunsul propagat de gibereline.

Materiale i metodeObiectul de cercetare a inclus 121 gene/EST-uri de la H. annuus (numite n prezenta

lucrare gene de interes), transcripii crora au fost investigai n cadrul unui model expe-rimental de studiu al androsterilitii induse de GA

3 (Universitatea Academiei de tiine a

Moldovei, Centrul Universitar de Biologie Molecular, laboratorul Genomic). Pentru realizarea obiectivelor au fost identificate secvenele similare de la A. thaliana (Tab.1) i a fost determinat adiional un set gene care relev conexiuni maximal corelate cu cele de baz (n total 205). Adnotarea genelor, analizele GO term enrichment pentru termenii GO (Gene Ontology) [5] i Pathway enrichment pentru cile de semnalizare din KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) [17] au fost efectuate n baza resursei DAVID (Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery) [15]. Filtrarea valorilor fals pozitive obinute s-a efectuat prin metoda de corecie Bonferroni (P < 0,05) [39].

Tabelul 1. Adnotarea genelor de interes (factorii de transcripie sunt marcai)

Numr de acces (TAIR ID)

AT1G74920 AT1G60490 AT3G06050 AT3G10140 AT1G10520 AT4G28220 AT1G71260














AT5G42150 AT5G27320 AT2G29990 AT3G43810 AT3G62980 AT3G01280






27


Componentele directe de interaciune i factorii de transcripie (FT) au fost selectai din baza de date AtRegNet (Arabidopsis thaliana Regulatory Network) de pe platforma AGRIS (The Arabidopsis Gene Regulatory Information Server) [10, 30] i baza de date HRGRN (A Graph Search Empowered Database of Arabidopsis Hormone Signaling and Gene Regulatory Networks) [40].

Gruparea genelor dup domeniile proteice, co-localizarea produilor genetici la nivel celular i tisular a fost efectuat n baza resursei GeneMANIA i programului Cytoscape [23, 42], iar pentru crearea reelei de interaciuni proteice a fost utilizat resursa IntAct [29]. Reeaua reglatoare a fost construit cu ajutorul funciei Build Subnetwork de pe platforma bazei de date HRGRN cu opiunile: 4 steps; all paths; gene expression regulation = true, vizualizarea acesteia s-a efectuat n Cytoscape. Pentru identificarea motivelor i asocierea funcional a fost utilizat aplicaia RMOD [20].

Rezultate i discuiiGruparea funcional a genelor de interes. Analiza iniial a genelor a permis

identificarea a 210 termeni GO, inclusiv Proces Biologic (137), Funcie Molecular (42), GO Component Celular (31). Dintre cele 137 procese biologice, procesele antioxidative, cascada de semnalizare intracelular, rspunsul la substan organic, rspunsul la stimulul abiotic, rspunsul la stimulul endogen, rspunsul celular la stres, rspunsul la stimulul hormonal, rspunsul la stresul oxidativ, dezvoltarea post-embrionar, proces de dezvoltare reproductiv, dezvoltarea structurilor reproductive, rspuns la substan anorganic (12) grupeaz un numr de 15 - 25 gene. Procesele antioxidative, cascad de semnalizare intracelular i rspunsul la substan organic au manifestat un coeficient Bonferoni < 0,05, relevnd semnificaia genelor selectate n aceste trei procese biologice.

S-a constatat c genele de interes sunt implicate n diverse ci metabolice cum ar fi procese celulare, procesarea informaiei din mediu, procesarea informaiei genetice, metabolism i sisteme - organism. Dup cum era i de ateptat, cele mai multe gene (28) sunt asociate cu metabolismul celular - metabolismul aminoacizilor, carbohidrailor, glicanilor, terpenoizilor, poliketidelor, lipidelor, biodegradarea i metabolismul xenobioticelor, metabolismul energetic i nucleotidic. Numrul maxim de gene (10) face parte din calea metabolismului glutationului. Categoria replicare i reparare din clasa procesarea informaiei genetice include trei ci repararea prin excizie de baze azotatate (5 gene), repararea situsurilor nemperecheate (1 gen), unirea neomolog a capetelor (1 gen).

Investigaiile efectuate au permis identificarea a 42 de funcii moleculare, dintre care cea mai mare pondere revine funciilor de ataare, inclusiv ataarea ATP, ataarea ribonucleotidelor inclusiv celor purinice (coeficientul Bonferoni < 0,05 ).

Localizarea celular a genelor. Analiza localizrii genelor implicate n studiu prin DAVID [15] a pus n eviden 33 termeni GO Component Celular, majoritatea acestora fiind asociai cu mitocondriile (33) i plastidele (28).

Gruparea genelor dup co-localizare la nivel celular/ tisular [42] n afar de clustere minore, a relevat i un cluster din 20 gene, asociat semnificativ cu mitocondriile i peroxizomii. Aceste organite manifest interdependene funcionale n metabolismul energetic, avnd n comun i componente ale mainriei moleculare de replicare [34].


28


Genele constituente ale cluster-ului au fost asociate cu funcii de respiraie celular, activitate de oxido-reducere i antioxidant, rspuns la stresul oxidativ i la ioni de metale. Remarcm c n acelai cluster a fost inclus i gena DRP1C (DYNAMIN RELATED PROTEIN 1C), implicat n morfogeneza mitocondriilor i maturarea polenului [6].

Rezultatele obinute prezint interes n contextul deficienelor la nivel mitocondrial asociate cu fenomenul de androsterilitate citoplasmatic i potenial cu androsterilitate indus de GA

3.

Identificarea domenelor proteice comune. Pentru elaborarea unei reele complexe i relevarea unui numr maxim de conexiuni, lund n consideraie interaciunea fizic direct, co-expresia, co-localizarea la nivel celular sau tisular, interaciunile la nivel genetic, domenele proteice comune, prediciile pe baz de ortologie, setul de gene de interes a fost suplinit [24] cu 84 de gene adiionale.

Toate cele 205 gene au fost evaluate i clusterizate (Fig.1) conform domenelor proteice comune n baza resursei InterPro [4].

Figura 1. Gruparea genelor conform domenelor proteice comune. (cercuri gene; cercuri albe - genele de interes; romburi - domene proteice identificate.

Conform datelor obinute, un numr mai mare de domene proteice in de ataarea la ADN i reglarea transcripiei cum ar fi:

Homeobox , Homeodomain-like, domene nalt conservate i larg rspndite n clase de organisme ndeprtate evolutiv, de regul implicate n morfogenez pe parcursul ontogenezei;

POX, domen proteic identificat exclusiv la plante, asociat cu domenul Homeobox, care reprezint poteniali FT;

KNOX1, KNOX2, ELK domene asociate cu unul i acelai grup de gene, care sunt totodat membre ale aceleiai subfamilii, ce include i Homeobox. KNOX1, ELK prezint funcie de ataare la ADN i localizare nuclear, iar KNOX2, care este n asociere cu KNOX1, responsabil de homodimerizarea proteinelor;



29


TF Kbox , prezint la nivel de secven a aminoacizilor o similaritate moderat cu o regiune a keratinei, face posibil heterodimerizarea proteinelor care conin acest domen (de regul proteine MADS cruciale n ontogenez).

Un alt grup de domene proteice este asociat cu reaciile de oxido-reducere: Thioredoxin-like fold cu rol n modificare a strii redox a grupelor thiolice a

proteinelor;Pyridine nucleotide-disulphide oxidoreductase, NAD-binding domain

(PyrOxRdtase NAD-bd) asociat cu flavoproteine FAD, aparinnd aceleiai familii ca i glutathion-reductaza, thioredoxin reductaza .a.;

FAD/NAD-linked reductase, dimerisation domain (FAD/NAD-linked Rdtase dimer), care reprezint o structur de dimerizare regsit la captul C-terminus al reductazelor asociate cu NAD/FAD.

Reele de interaciune protein-protein. Setul de gene inclus n cercetare, a fost utilizat pentru evidenierea conexiunilor de tip protein-protein (baza de date Intact). Rezultatele obinute au generat o reea din 747 de noduri i 1078 de conexiuni.

Reeaua obinut a fost supus analizei n vederea: identificrii principalilor componeni implicai n semnalizarea giberelinelor;- identificrii regiunilor puternic interconectate ale reelelor (- Cytoscape,

MCODE, cu parametrii n regim default) [26] (Fig. 2)

Figura 2. Motivele identificate n reeaua de interaciune proteic (MCODE). (negru - gene din setul iniial, sur puin intens - partenerii direci de interaciune identificai n bazele de date HRGRN i AtRegNet, sur mai intens - genele identificate n resursa GeneMania).

Din numrul total de 95 de gene cu rol de baz n calea de semnalizare a giberelinelor [40] 37 au fost regsite n reeaua de interaciune proteic construit. Printre proteinele prezente se numr 4 din familia DELLA: RGL1, RGL2, GAI (RGA2), RGA (RGA1); 3 receptori GID1A, GID1B, GID1C (GID1 GA receptor GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1) responsabili de detectarea GA4 i iniierea semnalizrii, dar i componente ale complexului SCF (SKP1, CULLIN, F-BOX); factori de interaciune cu fitocromii:


30


PIF1, PIF3, PIF4; factori implicai n determinarea identitii florale a meristemului i n morfogeneza organelor florale inclusiv gene ale sistemului ABC: LEAFY (LFY), APETALA1 (AP1), AGAMOUS-LIKE 24 (AGL24), SUPPRESSOR OF CONSTANS OVEREXPRESSION 1 (SOC1), AGAMOUS (AG), APETALA3 (AP3), PISTILLATA (PI); factori implicai n cross-talk-ul cu ali hormoni n special jasmonaii (JASMONATE ZIM-DOMAIN: JAZ 10, JAZ 8, JAZ 4, JAZ 1, JAZ 9, Jasmonate insensitive1- JIN1), auxine (AXR2 Auxin resistant 2, LRF1 AUXIN SIGNALING F-BOX 1, IAA14).

Regiunile puternic interconectate ale reelelor (Fig. 2) sunt frecvent asociate cu complexe proteice ipotetice i poteniale motive reglatoare, care pot fi identificate concomitent cu elucidarea tipului de interaciune dintre participani i care frecvent sunt asociate cu caracteristici funcionale specifice. Spre exemplu, clusterul 2 ntrunete o serie de factori-cheie n semnalizarea mediat de jasmonai.

Astfel, proteinele JAZ1, JAZ9, JaZ4 cu efect represor, degradarea crora are loc n prezena jasmonailor regleaz negativ AtMyc2 (JIN1) - un activator transcripional central n rspunsul la acest fitohormon. AtMyc2 este reglat negativ i de ctre factorul JAI3 (MEB5.8) care la rndul su conine secvene cis-reglatoare recunoscute de AtMyc2, fiind sugerat o relaie de tip feedback [9]. Pe lng activarea acestor proteine s-a demonstrat activarea direct de ctre AtMyc2 a proteinei RGL3 aparinnd familiei DELLA [44]. Un alt membru al familiei DELLA - RGA1 este reglat negativ de ctre JAI3 i totodat servete ca represor al AtMyc2 [14]. Aceste relaii reglatoare servesc ca un exemplu relevant al cross-talk-ului hormonal dintre gibereline i jasmonai i al modulrii reciproce a semnalului de ctre aceti fitohormoni.

Totui, n interpretarea motivelor identificate este important de inut cont, c genele care fac parte din acestea ar putea fi expresate n diferite esuturi sau la etape ontogenetice diferite ceea ce nseamn ca acestea se regsesc ntr-o componen mai restrns dect cea sugerat de structurile identificate n reele.

Reele reglatoare de gene. Utiliznd baza de date HRGRN a fost elaborat reeaua reglatoare de gene pentru Arabidopsis thaliana L. (Fig 3), iar cu ajutorul aplicaiei RMOD [20], n baza reelei reglatoare elaborate, ct i a reelei disponibile n baza de date AtRegNet, au fost identificate 14 tipuri de motive reglatoare.

Acestea, n conformitate cu funcia predictiv a motivului, au fost grupate n nou categorii distincte (Tab. 2).

Cu o frecven nalt, n reeaua descris, sunt relevate patru motive ce prezint proprietate de activare, ndreptat spre inducerea i meninerea reciproc a expresiei genelor implicate, ceea ce se asociaz cu meninerea funciilor respective, cum ar fi spre exemplu cazul BZR1 i a factorilor din familia PIF. Au fost identificate motive de tipul cascad de activare pozitiv (LEC1--> FUS3-->At1g62290), care asigur transmiterea consecutiv a mesajului i negativ (PI--|AP1 --|AP3), care stabilete diverse stri fiziologice n dependen de semnalul de intrare i poziia nodului n cascada de semnalizare. n acelai timp, s-au atestat motive de tipul feedback dublu negativ (familia DELLA), ce asigur existena strilor de bistabilitate asociate cu expresia uneia dintre genele participante. Cu o frecven mai joas au fost puse n eviden funciile de autoactivare negativ (AGL15) i pozitiv (AG i SEP3), importante n cazul strilor de bistabilitate.



31


Figura 3. Reeaua reglatoare de gene. (romburi - FT; cercuri gene; triunghiuri complexe moleculare; paralelograme familii de gene sau de FT; figuri incolore - genele de interes, figuri de culoare nchis genele de baz implicate n calea de semnalizare a giberelinelor. Sgeile reprezint interaciuni de activare, liniile-T interaciuni de represie, cu linii ngroate de nuan deschis este indicat apartenena, iar liniile subiri fr direcie indic recunoaterea regiunii cis-reglatoare.)

Tabelul 2. Motive reglatoare identificate*

Structura motivului

Denumirea** (frecvena) i genele participante Proprieti asociate

switch_2 (10)PIF5 BZR1 PIF3; PIF6 BZR1 PIF3;PIF7 BZR1 PIF3; PIF3 BZR1 PIF4;PIF5 BZR1 PIF6; PIF5 BZR1 PIF7;PIF4 BZR1 PIF5; PIF6 BZR1 PIF7;PIF4 BZR1 PIF6; PIF4 BZR1 PIF7

Comutator unidirecional. Permite existena strilor de bista-bilitate asociate fie cu expresia tutu-ror genelor reciproc activatoare fie cu starea inactiv a acestor gene.Tranziia spre starea de activare poate avea loc prin intermediul activrii permanente sau tranziente a cel puin uneia dintre genele care se afl n relaii de activare reciproc.

switch_5 (10)PIF3 BZR1 -> CYC1; PIF5 BZR1 -> CYC1;PIF6 BZR1 -> CYC1; PIF7 BZR1 -> CYC1;PIF4 BZR1 -> CYC1; PIF3 BZR1 -> PIFI;PIF5 BZR1 -> PIFI; PIF6 BZR1 -> PIFI;PIF7 BZR1 -> PIFI; PIF4 BZR1 -> PIFI


32


bucl feedback dublu pozitiv (6)PIF3 BZR1; PIF5 BZR1; PIF6 BZR1;PIF7 BZR1; PIF4 BZR1; AS2 familia TCPS

Odat activat, starea dat posed proprietatea de auto-meninere. Tranziia spre starea caracterizat de lipsa activrii poate avea loc, spre exemplu, prin represia tranzient sau permanent a uneia dintre genele re-ciproc activatoare.

switch_3 (3)JAZ5 -> TPL -> familia IAA3 -> -> familia ARF1 BES1;JAI3 -> TPL -> familia IAA3 -> -> familia ARF1 BES1;JAZ8 -> TPL -> familia IAA3 -> -> familia ARF1 BES1

bucl feedback dublu negativ (4)RGA1--| BZR1; BZR1--| RGA1;SCL3--| BZR1; BZR1--| SCL3;familia Della --| SCL3; SCL3 --| familia Della;familia Della --| BZR1; BZR1--| familia Della

Comutator bidirecional. Permite existena strilor de bistabili-tate asociate cu expresia doar a uneia dintre genele participante (datorit excluderii reciproce). Tranziia de la o stare la alta are loc prin activarea permanent sau tranzient a uneia dintre gene (care poate fi combinat i cu represia celei de-a doua). Am-bele stri posed proprietatea de automeninere.

autoreglare negativ (1)

AGL15 --| AGL15

- Accelereaz timpul de rspuns (datorit posibilitii de activare puternic i imediat i prin evitarea costurilor ulterioare (spre exemplu costuri metabolice necesare pentru asigurarea unei rate nalte de turn-over)). - Reduce variabilitatea celul-celul a concentraiei funciei genei (datorit sporirii autorepresiei odat cu creterea concentraiei factoru-lui).

autoreglare pozitiv (2)

AG --> AG

SEPALLATA3 --> SEPALLATA3

- ncetinete timpul de rspuns.- Face posibil bistabilitatea (sta-rea deactivat i starea de activare capabil de automeninere).

cascad negativ (1+66)PI --|AP1 --| AP3

nu sunt listate

Represie sau activare n secven (prima gen - activat, a doua - represat, a treia-activat, etc.).

cascad pozitiv (1)

LEC1 --> FUS3 --> At1g62290

poate fi interpretat ca parte component a mo-tivelor switch_2, switch_5, switch_3

- Activare n secven.- Face posibil manifestarea ultrasensibilitii - proprietate caracterizat printr-un rspuns major al elementelor downstream ale casca-dei, ca rezultat al unei variaii mici n concentraia sau starea de activare a elementelor upstream ale cascadei (se obine un rspuns similar cu cel digital) (Hooshangi, 2005).



33


bucl feedforward incoerent (1+1)

SUP --| AP3

AP3+PI --> SUP

AP3+ PI --> AP3

pil5 -> som -> ATGA3OX1pil5 -> DAG1+PIL5DAG1+PIL5 --| ATGA3OX1

n cazul n care ultimul nod situat downstream este o poart logic I (eng.- AND) , (situaia cea mai frecvent):- se comport ca generator de puls (o faz tranzient de activare urmat de represie);- accelereaz timpul de rspuns.Poate prezenta rspuns bifazic (ac-tivare urmat de represie) inclusiv ca funcie a concentraiei (doar la depirea unei concentraii-prag este activat legtura inhibitoare).

adaptation_3 (1)

AP1 --> AP3 ; AP3 --| AP1 ; SUP --| AP3;

Rspuns bifazic ca funcie a timpului sau a concentraiei (activare urmat de represie)

adaptation_5 (1)

AP1 --> AP3 ; AP3 --| AP1; AP3+ PI--> AP3

adaptation_7 (1)AP1 --| AGL24; AP1 --> AP3; AP3 --| AP1

bi-fan (>17)

nu sunt listate

Motivele bi-fan asigur reglarea temporal a propagrii semnalelor i acioneaz ca sortatori, filtre de sem-nale, dar i ca sincronizatori, ultima reprezentnd o proprietate robust a acestora. Motivele bi-fan care au pori logice OR demonstreaz un rspuns rapid n timp ce cele cu pori logice I pot introduce ntrzieri i prelungirea duratei output-ului sem-nalelor. La fel, ultimele pot filtra input-urile cu semnal variabil.

* Referine pentru construirea tabelului: [2, 10, 18, 35]** Denumirea motivului ntlnit n literatura sau denumirea conform RMOD Motivele marcate au fost identificate n reeaua AtRegNet

De la motive - la procese biologice. Motivele structurale i funcionale, identificate n reelele reglatoare de gene i cele de interaciune proteic, reprezint elemente cheie n procesele de difereniere celular i n reaciile de rspuns la mediu.

Astfel, proteina BZR1 reprezint un factor activator central n semnalizarea prin intermediul brasinosteroizilor, iar proteinele PIF (Phytochrome Interacting Factors) sunt factori de transcripie cu funcii redundante, care se acumuleaz la ntuneric i sunt degradate n prezena luminii ca urmare a activrii fitocromilor. Activitatea factorilor PIF este reglat de asemenea de gibereline, ciclul circadian i temperatur, integrnd, astfel, o multitudine de semnale din mediul extern i intern. n particular, activarea reciproc a BZR1 i PIF4 (unul din 2 regimuri de bistabilitate posibile, cellalt fiind dezactivarea lor concomitent) este necesar n iniierea elongrii celulare ca rspuns la brasinosteroizi, ntuneric i cldur i n suprimarea cilor de transcripie implicate


34


n dezvoltarea cloroplastelor. Aceti doi factori interacioneaz, formnd un activator transcripional care se ataeaz la peste 2 mii de gene-int reglndu-le n mod sinergistic. Att degradarea PIF-urilor, ca rspuns la lumin, ct i inactivarea BZR1, ca urmare a reducerii semnalizrii brasinosteroizilor, diminueaz concentraia heterodimerului BZR1-PIF4 i promoveaz fotomorfogeneza [28].

Un alt tip de motiv reglator identificat n urma analizei este reprezentat de o bucl feedback dublu negativ (Tab.2) format de factorii BZR1 i RGA1 (una din proteinele DELLA responsabile de supresia rspunsului la gibereline). Expresia ectopic a proteinelor din familia DELLA reduce abundena i activitatea transcripional a BZR1 [22]. Mai mult ca att, BZR1 i RGA1 antagonizeaz reciproc activitatea transcripional. Studiile au evideniat existena unui transcriptom reglat de gibereline, dependent i de BZR1, care include i gene induse de lumin, gene implicate n sinteza peretelui celular i fotosintez/ funcionarea cloroplastelor [37].

Iniierea de ctre gibereline a elongrii hipocotilului necesit att BZR1 ct i factorii de interaciune cu fitocromii i intele lor downstream. Rezultatele demonstreaz c giberelinele elimin efectul inhibitor al factorilor DELLA asupra BZR1 i c interaciunea DELLABZR1PIF4 determin reglarea n mod coordonat a creterii de ctre gibereline, brasinosteroizi i semnalizarea n prezena luminii.

Astfel, se contureaz existenta a dou stri antagoniste n care predomin activitatea unuia dintre factori (BZR1 pe de o parte i RGA1 sau factorii DELLA pe de alt parte) ceea ce este n perfect concordan cu strile de bistabilitate generate de un motiv feedback dublu negativ.

ConcluziiAdnotarea i gruparea funcional a genelor analizate a pus n eviden cascade

de rspuns privind programele morfogenetice de dezvoltare reproductiv, un accent esenial viznd mecanismele de reducere a stresului oxidativ. intele de aciune a celor mai multe gene sunt mitocondriile, organite foarte active n perioada generativ, fapt cauzat de cerinele nalte n energie metabolic, cu consecine ulterioare n homeostazia redox a sistemului.

Semnalizarea indus de gibereline regleaz meninerea integritii genomului prin intermediul genelor implicate n mecanisme de reparaie a acizilor nucleici i a celor responsabile de procesarea informaiei genetice n nucleu, mitocondrii i plastide, fapt confirmat de identificarea n prezentul studiu a numeroaselor domene proteice specializate n ataarea la ADN, domene de procesare i meninere a integritii materialului genetic i asociate cu reaciile de oxido-reducere.

Analiza reelei reglatoare de gene a pus n eviden o diversitate mare de poteniale motive reglatoare (motive asociate cu stri de adaptare, de autoreglare pozitiv i negativ, cascade de activare i represie, motive bi-fan .a.)

Cercetrile au fost realizate n cadrul proiectului instituional 11.817.04.19F Aspecte funcionale i genetico - moleculare ale genomului la floarea-soarelui (Helianthus annuus L.).

BibiliografieAchard, P., et al.,1. The cold-inducible CBF1 factor-dependent signaling pathway

modulates the accumulation of the growth-repressing DELLA proteins via its effect on gibberellin metabolism. Plant Cell, 2008, 20(8): 2117-29.



35


Alon, U.,2. Network motifs: theory and experimental approaches. Nat Rev Genet, 2007, 8(6): 450-61.

Anascenko, A.V.,3. Osobennosti virascivania podsolnecnika pri khimicescoi castrati. Selectia i semenovodstvo, 1971, 2:36-38.

Apweiler, R., et al.,4. InterPro-an integrated documentation resource for protein families, domains and functional sites. Bioinformatics, 2000, 16(12):1145-50.

Ashburner, M., et al.,5. Gene ontology: tool for the unification of biology. The Gene Ontology Consortium. Nat Genet, 2000, 25(1):25-31.

Backues, S.K., et al.,6. The Arabidopsis dynamin-related protein2 family is essential for gametophyte development. Plant Cell, 2010, 22(10):3218-31.

Chandler, P.M., et al.7. , Mutants at the Slender1 locus of barley cv Himalaya. Molecular and physiological characterization. Plant Physiol, 2002, 129(1):181-90.

Cheng, H., et al.,8. Gibberellin regulates Arabidopsis floral development via suppression of DELLA protein function. Development, 2004. 131(5):1055-64.

Chini, A., Fonseca, S., Fernandez, G9. ., et al. The JAZ family of repressors is the missing link in jasmonate signalling. Nature, 2007, 448:666-671.

Davuluri, R.V., et al.,10. AGRIS: Arabidopsis gene regulatory information server, an information resource of Arabidopsis cis-regulatory elements and transcription factors. BMC Bioinformatics, 2003, 4: 25.

Ferrell, J.E.,11. Self-perpetuating states in signal transduction: positive feedback, double-negative feedback and bistability. Curr Opin Cell Biol, 2002, 14(2):140-8.

Griffiths, J., et al., 12. Genetic characterization and functional analysis of the GID1 gibberellin receptors in Arabidopsis. Plant Cell, 2006, 18(12):3399-414.

Hedden, P., Phillips A.L., 13. Gibberellin metabolism: new insights revealed by the genes. Trends Plant Sci, 2000, 5(12):523-30.

Huang da, W., Sherman B.T., Lempicki R.A.,14. Systematic and integrative analysis of large gene lists using DAVID bioinformatics resources. Nat Protoc, 2009, 4(1):44-57.

Hong, G.J., Xue, X.Y., Mao, Y.B.,15. Arabidopsis MYC2 interacts with DELLA proteins in regulating sesquiterpene synthase gene expression. Plant Cell, 2012, 24:2635-2648.

Ikeda, A., et al.,16. Slender rice, a constitutive gibberellin response mutant, is caused by a null mutation of the SLR1 gene, an ortholog of the height-regulating gene GAI/RGA/RHT/D8. Plant Cell, 2001, 13(5):999-1010.

Kanehisa, M., et al.,17. The KEGG resource for deciphering the genome. Nucleic Acids Res, 2004, 32(Database issue):277-80.

Kasembe, J.N.R 18. Phenotypic restoration of fertility in a male sterile mutant by treatment with gibberellic acid. Nature, 1967, 215:668-670.

Kim, D., Kwon Y.K., Cho K.H.,19. The biphasic behavior of incoherent feed-forward loops in biomolecular regulatory networks. Bioessays, 2008, 30(11-12):1204-11.

Kim, J., Yi G.S.,20. RMOD: a tool for regulatory motif detection in signaling network. PLoS One, 2013, 8(7):68407.

Lee, S., et al.,21. Gibberellin regulates Arabidopsis seed germination via RGL2, a GAI/RGA-like gene whose expression is up-regulated following imbibition. Genes Dev, 2002, 16(5):646-58.

Li, Q.F., et al.,22. An interaction between BZR1 and DELLAs mediates direct signaling crosstalk between brassinosteroids and gibberellins in Arabidopsis. Sci Signal, 2012, 5(244):72.

Montojo, J., et al.,23. GeneMANIA Cytoscape plugin: fast gene function predictions on the desktop. Bioinformatics, 2010,, 26(22): 2927-8.

Mostafavi, S., et al.,24. GeneMANIA: a real-time multiple association network integration algorithm for predicting gene function. Genome Biol, 2008, 9 Suppl 1: p. S4.


36


Mutasa-Gottgens, E., Hedden P., 25. Gibberellin as a factor in floral regulatory networks. J Exp Bot, 2009, 60(7):1979-89.

Nakajima, M., et al.,26. Identification and characterization of Arabidopsis gibberellin receptors. Plant J, 2006, 46(5): 880-9.

Ogawa, M., et al.,27. Rice gibberellin-insensitive gene homolog, OsGAI, encodes a nuclear-localized protein capable of gene activation at transcriptional level. Gene, 2000, 245(1):21-9.

Oh, E., Zhu J.Y., Wang Z.Y.,28. Interaction between BZR1 and PIF4 integrates brassinosteroid and environmental responses. Nat Cell Biol, 2012, 14(8):802-9.

Orchard, S., et al.,29. The MIntAct project-IntAct as a common curation platform for 11 molecular interaction databases. Nucleic Acids Res, 2014, 42(Database issue):358-63.

Palaniswamy, S.K., et al.,30. AGRIS and AtRegNet. a platform to link cis-regulatory elements and transcription factors into regulatory networks. Plant Physiol, 2006, 140(3):818-29.

Peng, J., et al.,31. The Arabidopsis GAI gene defines a signaling pathway that negatively regulates gibberellin responses. Genes Dev, 1997, 11(23):3194-205.

Rieu, I., et al.,32. The gibberellin biosynthetic genes AtGA20ox1 and AtGA20ox2 act, partially redundantly, to promote growth and development throughout the Arabidopsis life cycle. Plant J, 2008, 53(3):488-504.

Sablowski, R.,33. Flowering and determinacy in Arabidopsis. J Exp Bot, 2007, 58(5):899-9073.

Schrader, M., Yoon Y.,34. Mitochondria and peroxisomes: are the big brother and the little sister closer than assumed? Bioessays, 2007, 29(11):1105-14.

Shah, N.A., Sarkar C.A.,35. Robust network topologies for generating switch-like cellular responses. PLoS Comput Biol, 2011, 7(6):1002085.

Shoval, O., Alon U.,36. SnapShot: network motifs. Cell, 2010, 143(2):326.Silverstone, A.L., C.N. Ciampaglio, Sun T.37. , The Arabidopsis RGA gene encodes a

transcriptional regulator repressing the gibberellin signal transduction pathway. Plant Cell, 1998, 10(2): 155-69.

Silverstone, A.L., et al.,38. Repressing a repressor: gibberellin-induced rapid reduction of the RGA protein in Arabidopsis. Plant Cell, 2001, 13(7):1555-66.

Strassburger, K., Bretz F.,39. Compatible simultaneous lower confidence bounds for the Holm procedure and other Bonferroni-based closed tests. Stat Med, 2008, 27(24):4914-27.

T. Liu, X.D., J. Li, P. X. Zhao, 40. HRGRN: A Graph Search-Empowered Integrative Database of Arabidopsis Hormone Signaling and Regulatory Networks, 2014.

Tyler, L., et al., 41. Della proteins and gibberellin-regulated seed germination and floral development in Arabidopsis. Plant Physiol, 2004, 135(2):1008-19.

Warde-Farley, D., et al., 42. The GeneMANIA prediction server: biological network integration for gene prioritization and predicting gene function. Nucleic Acids Res, 2010, 38(Web Server issue):214-20.

Wen, C.K., Chang C.,43. Arabidopsis RGL1 encodes a negative regulator of gibberellin responses. Plant Cell, 2002, 14(1):87-100.

Wild, M., Daviere, J.M., Cheminant, S. 44. The Arabidopsis DELLA RGA-LIKE3 is a direct target of MYC2 and modulates jasmonate signaling responses. Plant Cell, 2012, 24:3307-3319.

Wild, M., et al.,45. The Arabidopsis DELLA RGA-LIKE3 is a direct target of MYC2 and modulates jasmonate signaling responses. Plant Cell, 2012, 24(8):3307-19.

Willige, B.C., et al.,46. The DELLA domain of GA INSENSITIVE mediates the interaction with the GA INSENSITIVE DWARF1A gibberellin receptor of Arabidopsis, Plant Cell, 2007, 19(4):1209-20.

Articole de fond Fiziologia i Sanocreatologia


37


Yamaguchi, S.,47. Gibberellin metabolism and its regulation. Annu Rev Plant Biol, 2008, 59:225-51.

Zentella, R., et al.,48. Global analysis of della direct targets in early gibberellin signaling in Arabidopsis. Plant Cell, 2007, 19(10):3037-57.

Articole de fond Fiziologia i Sanocreatologia

Retele de Gene Implicate in Raspunsul Indus de Gibereline La Plante

Documents

Transcript of Retele de Gene Implicate in Raspunsul Indus de Gibereline La Plante