Entdeckung der molekularen „Teamarbeit“, die der Nitratassimilation in einer einzelligen Rotalge zugrunde liegt

Stickstoff ist ein wesentlicher Bestandteil für Pflanzenwachstum und -entwicklung. Pflanzen nehmen Stickstoff in der Regel in Form von Nitraten oder Ammonium aus ihrer Umgebung auf und assimilieren ihn mit Hilfe der Produkte von Nitrat- bzw. Ammonium-Assimilationsgenen zu Aminosäuren. Transkriptionsfaktoren (TFs) regulieren diese Aktivität, während sie auch die Rate der Nitratassimilation in Abhängigkeit von den Änderungen des Stickstoffgehalts modifizieren. Bei Stickstoffmangel regulieren diese TFs positiv die Expression von Nitrat-Assimilationsgenen.

Dasselbe gilt für Cyanidioschyzon merolae, eine einzellige Rotalge, die als hervorragendes Modell photosynthetischer höherer Organismen zur Untersuchung der Transkription dient. Während bekannt ist, dass der TF mit der Bezeichnung „CmMYB1“ für die Transkription von Nitrat-Assimilationsgenen in stickstoffarmem Zustand verantwortlich ist, ist der Mechanismus dafür unter stickstoffarmer (+N) Bedingung nicht klar.

Um dieses Rätsel anzugehen, wurde in einer Studie, die in veröffentlicht wurde Grenzen in der Pflanzenwissenschaftuntersuchte ein Forscherteam des Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) und anderer Institute die molekularen Mechanismen, die die Regulation von CmMYB1 in C. merolae unter +N-Bedingungen steuern. „Basierend auf unseren früheren Studien war uns bereits bewusst, dass die Aktivität von CmMYB1 mit einer regulatorischen Region von ihm selbst und/oder CmMYB1-bindenden Proteinen assoziiert ist, und versuchten daher, sie zu identifizieren“, erklärt Professor Sousuke Imamura, der Leiter Forscher der Studie.

Dazu generierten sie zunächst C. merolae Belastungen mit CmMYB1 ausgeschlagen und mit Plasmiden transformiert, die verschiedene verkürzte Sequenzen von CmMYB1 enthalten. Anschließend identifizierten sie eine Sequenz von CmMYB1 zwischen den Positionen 311–380 als die Schlüsselregion, die für die Herunterregulierung von Nitrat-assimilierenden Genen unter +N-Bedingungen verantwortlich ist, wodurch die Transkription gehemmt wird. Weitere Analysen auf der Grundlage quantitativer Polymerase-Kettenreaktionen zeigten erhöhte Transkriptspiegel dieser Gene in dem Stamm, dem die Schlüsselregion von CmMYB1 unter +N-Bedingungen fehlte. Sie bezeichneten diese neue Sequenz als „negative Domäne“ (ND) von CmMYB1.

Darüber hinaus fanden sie heraus, dass ND die subzelluläre Lokalisierung und Promotorbindungskapazität von CmMYB1 unter +N-Bedingungen kontrolliert. Chromatin-Immunpräzipitationsanalysen bestätigten die Rolle von ND bei der Verringerung der Bindungskapazität von CmMYB1 an Promotorregionen von Nitrat-assimilierenden Genen unter +N-Bedingungen.

Als die Rolle von ND klarer wurde, beschloss das Team, Proteine ​​zu identifizieren, die an seiner Regulation beteiligt sind. Dazu konstruierten sie einen ND-überexprimierenden Stamm und führten in Zusammenarbeit mit Forschern der Tohoku-Universität Immunpräzipitations- und Massenspektrometrieanalysen durch, um eine Liste potenzieller ND-bindender Proteine ​​zu erhalten. Schließlich identifizierten sie durch eine Hefe-Zwei-Hybrid-Analyse ein neues Protein mit einer unbekannten Funktion namens „CmNDB1“, das mit der ND von CmMYB1 interagiert.

Durch mehrere Analysen mit einem CmNDB1-Knockout-Stamm entdeckten sie, dass die CmNDB1-Deletion zu einer Kernlokalisierung von CmMYB1 und einer verringerten Promotorbindungskapazität von CmMYB1 unter +N-Bedingungen führte. Darüber hinaus entdeckten sie, dass die CmNDB1-Deletion die Transkription von Nitrat-Assimilationsgenen unter +N-Bedingungen erhöht.

Zusammenfassend kontrollieren sowohl ND als auch CmNDB1 die Aktivität von CmMYB1 unter +N-Bedingungen negativ, erleichtern seine Lokalisierung im Zytoplasma und unterdrücken seine Bindung an Promotorregionen von Nitrat-assimilierenden Genen, um deren Transkription herunterzuregulieren. Über die Implikationen dieser Ergebnisse sagt Professor Imamura: „Unsere Studie ist die erste, die die Mechanismen hinter der Regulation der Transkription von Nitrat-Assimilationsgenen unter +N-Bedingungen aufdeckt. Diese innovativen Ergebnisse können erheblich zum Fortschritt der Forschung auf diesem Gebiet beitragen. „

Die Identifizierung der kritischen ND-Region von CmMYB1 und des CmNDB1-Proteins waren wichtige Meilensteine, die zum Verständnis der Regulierung der Nitratassimilation in C. merolae beitrugen. Weitere Studien, wie die Untersuchung der posttranslationalen Modifikationen von CmMYB1 und/oder CmNDB1, sind erforderlich, um die Regulation der Nitratassimilation nicht nur in dieser Rotalge, sondern auch in anderen photosynthetischen Organismen besser zu verstehen.

Durch die Fülle an Informationen, die diese Studie liefert, werden Forscher definitiv ein besseres Verständnis wichtiger molekularer Funktionen und Mechanismen in Pflanzen gewinnen.