Stress and developmental responses in Arabidopsis thaliana: regulation through the transcription factor-interacting protein RCD1

Plants constantly face adverse environmental conditions, such as drought or extreme temperatures that threaten their survival. They demonstrate astonishing metabolic flexibility in overcoming these challenges and one of the key responses to stresses is changes in gene expression leading to alterations in cellular functions. This is brought about by an intricate network of transcription factors and associated regulatory proteins. Protein-protein interactions and post-translational modifications are important steps in this control system along with carefully regulated degradation of signaling proteins. This work concentrates on the RADICAL-INDUCED CELL DEATH1 (RCD1) protein which is an important regulator of abiotic stress-related and developmental responses in Arabidopsis thaliana. Plants lacking this protein function display pleiotropic phenotypes including sensitivity to apoplastic reactive oxygen species (ROS) and salt, ultraviolet B (UV-B) and paraquat tolerance, early flowering and senescence. Additionally, the mutant plants overproduce nitric oxide, have alterations in their responses to several plant hormones and perturbations in gene expression profiles. The RCD1 gene is transcriptionally unresponsive to environmental signals and the regulation of the protein function is likely to happen post-translationally. RCD1 belongs to a small protein family and, together with its closest homolog SRO1, contains three distinguishable domains: In the N-terminus, there is a WWE domain followed by a poly(ADP-ribose) polymerase-like domain which, despite sequence conservation, does not seem to be functional. The C-terminus of RCD1 contains a novel domain called RST. It is present in RCD1-like proteins throughout the plant kingdom and is able to mediate physical interactions with multiple transcription factors. In conclusion, RCD1 is a key point of signal integration that links ROS-mediated cues to transcriptional regulation by yet unidentified means, which are likely to include post-translational mechanisms. The identification of RCD1-interacting transcription factors, most of whose functions are still unknown, opens new avenues for studies on plant stress as well as developmental responses.

Kasvit taiteilevat jatkuvasti erilaisten haitallisten ympäristötekijöiden ristitulessa. Näitä tekijöitä, kuten korkeita tai matalia lämpötiloja, kuivuutta ja taudinaiheuttajia, vastaan kasvit käyvät eräänlaista asemasotaa: Ne eivät kykene etsiytymään miellyttävämpään ympäristöön, vaan niiden ainoat aseet ovat äärimmäisen joustava aineenvaihdunta sekä tarkoin säädelty puolustukseen liittyvien geenien aktivoiminen. Kasvisoluissa onkin joukoittain geeniekspression säätelytekijöitä, eli transkriptiotekijöitä, sekä niihin liittyviä apuproteiineja, joiden toimintaa säädellään tarkoin kohdennetuilla proteiinien välisillä interaktioilla, proteiinien pintarakenteiden joustavalla muokkaamisella ja niiden tarkoituksellisella hajoittamisella. Tässä työssä on tutkittu lituruohon RADICAL-INDUCED CELL DEATH1-proteiinia (RCD1), jonka tiedetään olevan sekä stressi- että kehitysvasteiden tärkeä säätelijä. Tämän proteiinin toiminnan häiriintyminen johtaa moninaisiin ilmiasuihin, kuten otsoni- ja suolaherkkyyteen sekä parantuneeseen UV-säteilyn kestoon, minkä lisäksi kasviyksilöiden elinkierto on nopeutunut ja niiden lehtien kehityksessä on muutoksia. Koko genomin kattavissa ekspressiotutkimuksissa nämä ilmiöt ovat myös nähtävissä suurina muutoksina geenien ilmenemisessä. Tässä työssä on osoitettu, että RCD1 sisältää tähän asti tuntemattoman proteiinidomeenin, jonka avulla se pystyy olemaan kosketuksissa moniin erilaisiin transkriptiotekijöihin ja että proteiinin muut osat osallistuvat todennäköisesti näiden tekijöiden toiminnan säätelyyn. Lisäksi lituruohon genomista löytyi viisi RCD1:n sukulaisproteiinia, joiden toiminta on toistaiseksi hämärän peitossa. Tämä proteiiniperheen osoitettiin löytyvän myös kaikkien tutkittujen maakasvien genomeista, mikä viittaa siihen, että niiden toiminta on olennaista kaikkien näiden kasvien toiminnalle. RCD1:n eikä sen sukulaisporteiinien biokemiallista toimintaa tunneta. On tärkeää selvittää mekaanisella tasolla, miten nämä proteiinit muokkaavat transkriptiotekijöitä vai muodostavatko ne esimerkiksi jonkin säätelyyn tarvittavan proteiinikompleksin rungon, jossa muut proteiiinit hoitavat varsinaisen biokemiallisen muokkauksen. Tässä työssä on siis löydetty uusi transkriptiotekijöiden kontrollointijärjestelmä, jonka tunteminen tulee valaisemaan huomattavasti sekä kasvien stressi- että kehityssignalointia. Tämä puolestaan on osa kasvien kokonaisvaltaista toiminnan ymmärtämistä, joka on edellytyksenä kasvien rationaaliselle jalostamiselle ja vastaamiselle muuttuvan ympäristön maataloudelle asettamiin haasteisiin.