Entschlüsselte Enzymstruktur zeigt, wie das Strigolacton-Hormon das Pflanzenwachstum steuert

Als sesshafte Organismen müssen Pflanzen ihr Wachstum und ihre Architektur ständig an die sich ständig verändernde Umwelt anpassen. Zu diesem Zweck haben Pflanzen unterschiedliche molekulare Mechanismen entwickelt, um die Umwelt wahrzunehmen und darauf zu reagieren und die Signale von außen mit endogenen Entwicklungsprogrammen zu integrieren.

Neue Forschungsergebnisse aus dem Labor von Nitzan Shabek am UC Davis College of Biological Sciences, veröffentlicht in Natur Pflanzenenthüllt den zugrunde liegenden Mechanismus des Protein-Targeting und der Zerstörung in einem spezifischen Pflanzenhormon-Signalweg.

„Unser Labor zielt darauf ab, Sensormechanismen in Pflanzen zu entschlüsseln und zu verstehen, wie spezifische Enzymfunktionen auf molekularer Ebene reguliert werden können“, sagte Shabek, Assistenzprofessor für Biochemie und Strukturbiologie am Institut für Pflanzenbiologie. „Wir haben ein neues Pflanzenhormonsignal, Strigolacton, untersucht, das zahlreiche Wachstums- und Entwicklungsprozesse steuert, einschließlich Verzweigung und Wurzelarchitektur.“

Die Arbeit stammt aus einer Studie von Shabek, veröffentlicht in Natur im Jahr 2018 Entschlüsselung molekularer und struktureller Veränderungen in einem Enzym, MAX2 (oder D3) Ubiquitin-Ligase. MAX2 wurde in gesperrter oder nicht gesperrter Form gefunden, die einen Strigolactonsensor, D14, und ein Ziel für die Zerstörung eines DNA-Transkriptionsrepressorkomplexes, D53, rekrutieren kann. Ubiquitine sind kleine Proteine, die in allen Eukaryoten vorkommen und andere Proteine ​​zur Zerstörung innerhalb einer Zelle „markieren“.

Um den Schlüssel zur Freischaltung von MAX2 zu finden und seine Molekulardynamik in Pflanzen besser zu verstehen, verwendeten die Postdoktoranden Lior Tal und Malathy Palayam zusammen mit dem Nachwuchsspezialisten Aleczander Young einen Ansatz, der fortschrittliche Strukturbiologie, Biochemie und Pflanzengenetik integrierte.

„Wir haben strukturgesteuerte Ansätze genutzt, um das MAX2-Enzym in Arabidopsis systemisch zu mutieren, und ein MAX2 geschaffen, das in einer unverschlossenen Form steckt“, sagte Shabek. „Einige dieser Mutationen wurden durch die Steuerung des CRISPR/Cas9-Genom-Editings hergestellt und bieten uns somit eine Entdeckungsplattform, um die verschiedenen Signalausgänge zu untersuchen und zu analysieren und die Rolle der MAX2-Dynamik zu beleuchten.“

Regulierung eines massiven Gennetzwerks

Sie fanden heraus, dass MAX2 in der entsperrten Konformation auf die Repressorproteine ​​abzielen und sie biochemisch mit kleinen Ubiquitinproteinen schmücken kann, um sie für die Zerstörung zu markieren. Durch das Entfernen dieser Repressoren können andere Gene exprimiert werden, wodurch ein massives Gennetzwerk aktiviert wird, das die Sprossverzweigung, die Wurzelarchitektur, die Blattalterung und die Symbiose mit Pilzen steuert, sagte Shabek.

Um diese Repressoren zu den Proteasom-Entsorgungskomplexen zu senden, muss das Enzym erneut verriegeln. Das Team zeigte auch, dass MAX2 nicht nur auf die Repressorproteine ​​abzielt, sondern der Strigolacton-Sensor selbst zerstört wird, sobald es blockiert ist, wodurch das System in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt wird.

Schließlich deckte die Studie den Schlüssel zum Schloss auf, einen organischen Säuremetaboliten, der den Konformationswechsel direkt auslösen kann.

„Über die Auswirkungen auf die pflanzliche Signalübertragung hinaus ist dies die erste Arbeit, die einen primären Metaboliten als direkten neuen Regulator dieser Art von Ubiquitin-Ligase-Enzymen platziert und neue Wege der Untersuchung in diese Richtung eröffnen wird“, sagte Shabek.

Weitere Co-Autoren des Papers sind die Spezialistin Mily Ron und Professor Anne Britt, Department of Plant Biology. Röntgenkristallographiedaten wurden an der Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory, einer Benutzereinrichtung des US-Energieministeriums, erhalten.