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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-80483
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8048/


Rizzini, Luca

UVR8: a plant UV-B photoreceptor

UVR8: ein pflanzlicher UV-B Photorezeptor

Dokument1.pdf (4.343 KB) (md5sum: 68088248fb0bc77b590b768568a2d549)

Kurzfassung in Englisch

Ultraviolet B radiation is part of the sunlight spectrum reaching the Earth. The high energy per photon of this wavelength range can cause ROS production, lipid peroxidation, reduced photosynthetic activity, and DNA damage when absorbed by the genetic material. To counter these negative effects, plants have evolved a UV-B photoreceptor system which helps to minimize the UV-­B-mediated damage through, e.g., “sunscreen’” pigment synthesis, induction of repair mechanisms and enhanced photomorphogenesis. It is known since over 30 years that plants are able to specifically perceive UV­-B radiation, but the molecular identity of the photoreceptor remained elusive. The main difficulty in its identification is related to the property of UV­-B to be absorbed by almost all organic compounds. Therefore, it is often not clear if the cellular UV-B signalling is due to a more general damage response or a damage independent direct perception, i.e., a UV-B-photoreceptor-specific pathway. We approached the problem by working with very low fluence rate UV­-B, to avoid damage responses but to activate the UV­-B photoreceptor responses specifically. This approach led to the identification of the proteins UV-RESISTANCE LOCUS 8 (UVR8) and CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1) as early components of the UV­-B-specific signalling pathway in Arabidopsis thaliana. It has been shown that UVR8 and COP1 are able to interact in a UV-­B-dependent manner in planta. The E3 ubiquitin ligase COP1 is a general regulator of light responses, whereas the β-propeller protein UVR8 seems to be a UV-­B-specific plant signalling component. In this work I show that UVR8 is able to interact with COP1 in a UV-­B-dependent manner in yeast. Moreover, I was able to show that UVR8 can homodimerize. Herein I further show that UVR8 is present almost exclusively as a homodimer in planta, and that the UV­-B radiation is able to monomerize UVR8 in a human cells line, in yeast and in planta. Furthermore, I reproduced the UVR8 monomerization after protein purification, showing the same kinetics as in total extracts. UVR8 is able to monomerize in less than 5 seconds of UV-B treatment in plant protein extracts on ice, suggesting a direct perception of UV-B by UVR8. Moreover, the re­dimerization at room temperature takes much longer, as shown in human cells culture total protein extracts, possibly giving the time for signal transduction. In yeast, UVR8 also interacts UV-B-dependently with the WD40-repeat proteins REPRESSOR OF UV-B PHOTOMORHOGENESIS (RUP) 1 and 2, negative regulators of the UV­-B-specific signalling pathway which reduce the interaction of UVR8 with COP1 under UV­-B in a negative feed-back loop. Moreover, we postulated that UVR8 could directly perceive UV-­B photons through tryptophan residues. Indeed, a UVR8 protein mutant in one of the tryptophans is not capable anymore to monomerize under UV­B light, and the same UVR8 protein mutant is not capable to interact with COP1 in yeast anymore. Published data on UVR8, e.g., microarray analysis and phenotypic characterization, together with all the compelling evidences reported in this work, strongly support the idea that UVR8 is a UV­-B plant photoreceptor.


Kurzfassung in Deutsch

UV-B Strahlung stellt einen Teil des natürlichen Sonnenspektrums dar. Die hohe Energie von Photonen dieses Wellenlängenbereichs kann unter anderem zur Produktion von ROS, Peroxidation von Lipiden, reduzierter Photosytheseleistung und DNA-Schädigung in Pflanzen führen. Um diesen negativen Effekten entgegen zu wirken, haben Pflanzen ein UV-B Photorezeptorsystem entwickelt, welches die UV-B vermittelten Schäden z.B. über die Induktion der Synthese von Schutzpigmenten, der Aktivierung von Reparatur-Mechanismen und der Modulation der Photomorphogenese minimiert. Seit über 30 Jahren ist bekannt, daß Pflanzen auf UV-B spezifisch reagieren, aber die Identität des verantwortlichen Photorezeptors ist bis heute unbekannt. Seine Identifizierung ist auch deshalb schwierig, da UV-B mit fast alle organischen Molekülen interagieren kann. Daher blieb es z.B. unklar ob die zelluläre UV-B Signalleitung auf einer allgemeinen Stressantwort oder einer spezifischen UV-B Photorezeptorwirkung beruht. Um dieses Problem zu umgehen, wurden Experimente bei sehr geringen UV-B Photonenflüssen durchgeführt. Hierdurch konnten UV-B Photorezeptor Response aktiviert werden, ohne Stress-Reaktionen auszulösen. Durch diesen Versuchsabsatz konnten die Proteine UV-RESISTANCE LOCUS 8 (UVR8) und CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1) als frühe Komponenten der UV-B Signalleitung in Arabidopsis thaliana identifiziert werden. Es konnte gezeigt werden, dass UVR8 und COP1 in planta UV-B abhängig miteinander interagieren. Die E3 ubiquitin ligase COP1 ist eine zentrale Komponente der Lichtsignaltransduktion, während das ß-Propeller Protein UVR8 eine UV-B spezifische Signaltransduktionskomponente zu sein scheint. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass UVR8 im heterologen Hefesystem UV-B abhängig mit COP1 interagiert. Überdies wurde gefunden, dass UVR8 in planta fast ausschließlich als Homodimer vorliegt. Dagegen führt UV-B Bestrahlung in einer humanen Zelllinie, in Hefe und in planta zur Monomerisierung von UVR8. Diese Monomerisierung konnte auch mit gereinigtem UVR8 Protein gezeigt werden. Die Kinetik dieser Monomerisierung stimmte mit der UVR8 Monomerisierungskinetik in Gesamtproteinextrakten überein. Auf Eis erfolgt die Monomerisierung von UVR8 in Gesamtproteinextrakten in weniger als 5 Sekunden. Dies legt eine direkte Perzeption von UV-B durch UVR8 nahe. Die Redimerisierung von UVR8 aus Gesamtproteinextrakten humaner Zellen bei Raumtemperatur dauert jedoch viel länger. Diese Zeitspanne könnte Signaltransduktionsprozesse ermöglichen. In Hefe interagiert UVR8 UV-B abhängig mit den WD40-repeat Proteinen REPRESSOR OF UV-B PHOTOMORHOGENESIS (RUP) 1 und 2. Diese sind negative Regulatoren der UV-B Signalleitung, indem sie die UV-B abhängige Interaktion von UVR8 mit COP1 hemmen. Dies könnte also einen negativen Rückkopplungsmechanismus darstellen. In dieser Arbeit wird vorgeschlagen, daß die direkte Absorption von UV-B Photonen durch UVR8 über seine Tryptophane vermittelt wird. In der Tat ist ein mutiertes UVR8 mit Austausch eines Tryptophans, nicht mehr in der Lage, unter UV-B Bestrahlung zu monomerisieren und zeigt in Hefe keine Interaktion mit COP1. Neben den bereits publizierte Daten über UVR8, z.B. Microarray Analysen und phänotypische Charakterisierungen, unterstützen vor allem die in dieser Arbeit gezeigten Versuchsergebnisse die These, daß UVR8 ein pflanzlicher UV-B Photorezeptor ist.


SWD-Schlagwörter: Photorezeptor , Ultraviolett B , Photomorphogenese , Schmalwand <Arabidopsis> , Ubiquitin-Protein-Ligase
Freie Schlagwörter (englisch): UVR8 , UV-B photoreceptor , UVR8 mechanism , COP1 mechanism , RUP mechanism
Institut: Institut für Biologie 2
Fakultät: Fakultät für Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Ulm, Roman (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.02.2011
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 11.04.2011
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