Advanced

The Arabidopsis 14-3-3 Family - Evolution, Expression, Localization, and Target Specificity

Alsterfjord, Magnus LU (2006)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Alla levande organismer är uppbyggda av celler. Antalet celler varierar, från encelliga organismer, t ex jäst, till flercelliga organismer, som t ex djur och växter. För att en cell ska fungera och utvecklas måste cellen hålla den inre miljön relativt konstant trots kanske stora variationer i miljön utanför. För att kunna göra detta har celler utvecklat system för att ta upp och avge ämnen, och för att försvara sig mot attacker från sjukdomsframkallande organismer eller andra hot från den yttre miljön. Cellernas inre miljö måste alltså regleras noggrant och alla celler har sensorer som kan känna av förändringar, både i och utanför cellen, för att kunna reagera på dessa. Dessa reglerande system... (More)
Popular Abstract in Swedish

Alla levande organismer är uppbyggda av celler. Antalet celler varierar, från encelliga organismer, t ex jäst, till flercelliga organismer, som t ex djur och växter. För att en cell ska fungera och utvecklas måste cellen hålla den inre miljön relativt konstant trots kanske stora variationer i miljön utanför. För att kunna göra detta har celler utvecklat system för att ta upp och avge ämnen, och för att försvara sig mot attacker från sjukdomsframkallande organismer eller andra hot från den yttre miljön. Cellernas inre miljö måste alltså regleras noggrant och alla celler har sensorer som kan känna av förändringar, både i och utanför cellen, för att kunna reagera på dessa. Dessa reglerande system består till stora delar av proteiner. En grupp av sådana reglerande proteiner heter 14-3-3.



14-3-3-proteiner utgörs av en familj av proteiner som är mycket lika varandra. Det första 14-3-3-proteinet upptäcktes redan 1967 i hjärnan från ko och det lite märkliga namnet kommer från hur man renade upp detta protein från alla andra proteiner. Femton år senare hittades proteinet för första gången i människans hjärna. Först trodde man att 14-3-3 bara fanns i hjärnan men det visade sig sedan finnas i flera olika vävnader hos djur. 14-3-3 hittades sedan även i växter, t ex i spenat, ärta, korn och backtrav och 14-3-3-proteiner är således inte unika för djur. Jäst visade sig också innehålla dessa proteiner. I encelliga organismer som jäst finns endast två varianter av 14-3-3 men i flercelliga organismer, t ex backtrav, finns det upp till 15 varianter. 14-3-3 är förmodligen det protein som är involverat i flest processer i cellen och har visat sig kunna binda till sig över 300 andra sorters proteiner, sk målproteiner. I växter hittade man först 14-3-3 involverat i regleringen av hur gener är aktiva.



Växten backtrav är modellväxt för mycket växtforskning och kalla i forskning för Arabidopsis. I växter har 14-3-3 visat vara viktiga i regleringen av nedbrytning och syntes av näringsämnen, och i regleringen av upptag och avgivning av ämnen. Tidigare trodde man att de olika varianterna av 14-3-3 inte hade olika målproteiner men nya data har visat att en variant av 14-3-3 kan ha målproteiner som en annan variant av 14-3-3 inte har. Därför är det viktigt att karakterisera de olika varianterna och t ex kartlägga var i växten de olika varianterna finns.



Hela gensekvensen i Arabidopsis är kartlagd, vilket medfört att vi har kunnat identifiera alla varianter av 14-3-3 och visat var i växten tidigare okända varianter finns. Vi har även undersökt hur alla dessa varianter i Arabidopsis har uppstått under tidens gång. För att utreda om 14-3-3-varianter har specifika målproteiner valde vi ett modellsystem där 14-3-3-proteiner reglerar ett protein som pumpar protoner (H+) från insidan av cellen till utsidan, ett sk proton-ATPas, och vi kunde visa att det finns skillnader i hur de olika 14-3-3-varianterna binder till proton-ATPaset. (Less)
Abstract
In plants, 14-3-3 proteins are key regulators of primary metabolism and membrane transport. It was previously thought that the 14-3-3 isoforms were not very specific with regard to target proteins, but more recent data suggest that the specificity may be high. Therefore, identification, localization, and characterization of all 14-3-3 isoforms in the model plant Arabidopsis are important. We identified all 14-3-3 genes in the fully sequenced Arabidopsis genome and partly characterized and localized the novel isoforms. We found three new 14-3-3 genes and determined the total number of genes to 15. Two of the novel genes were found to be transcribed and named grf11and 12, and the corresponding new 14-3-3 isoforms were named omicron and iota,... (More)
In plants, 14-3-3 proteins are key regulators of primary metabolism and membrane transport. It was previously thought that the 14-3-3 isoforms were not very specific with regard to target proteins, but more recent data suggest that the specificity may be high. Therefore, identification, localization, and characterization of all 14-3-3 isoforms in the model plant Arabidopsis are important. We identified all 14-3-3 genes in the fully sequenced Arabidopsis genome and partly characterized and localized the novel isoforms. We found three new 14-3-3 genes and determined the total number of genes to 15. Two of the novel genes were found to be transcribed and named grf11and 12, and the corresponding new 14-3-3 isoforms were named omicron and iota, respectively, and thereby 13 genes have now been shown to be expressed. Omicron is expressed in leaves, roots, and flowers, whereas the gene coding for iota is specifically expressed in flowers. We furthermore analysed the evolutionary history of the 14-3-3 family in plants, and particularly in Arabidopsis, which currently is the largest and most complete 14-3-3 family. We then used the interaction between 14-3-3 and the plasma membrane H+ pumping ATPase in Arabidopsis as a model system to elucidate potential isoform specificity in 14-3-3 binding. Considering the large number of 14-3-3 and H+-ATPase isoforms in Arabidopsis (13 and 11 expressed genes, respectively), specificity in binding may exist between 14-3-3 and H+-ATPase isoforms. We could show that the H+-ATPase is the main target for 14-3-3 binding at the plasma membrane, and that all twelve 14-3-3 isoforms tested bind to the H+-ATPase in vitro. Mass peptide fingerprinting identified two H+-ATPase isoforms, AHA1 and 2, as major isoforms in leaf plasma membranes. Using specific antibodies for nine of the 14-3-3 isoforms, we could show that most of the 14-3-3 isoforms are present in leaves, but that isolated plasma membranes lacked three of these isoforms, which suggests some specificity in the 14-3-3/ H+-ATPase interaction in vivo. We could also calculate that under ?unstressed? conditions less than one percent of total 14-3-3 in the cell is attached to the H+-ATPase. However, during a condition requiring full activation of H+ pumping several percent of total 14-3-3 may be engaged in activation of the H+-ATPase. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr Hallberg, Bengt, Medical Biosciences, Umeå University
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Växtbiokemi, Plant biochemistry, Biologi, Biology, Arabidopsis, 14-3-3, H+-ATPase
pages
83 pages
publisher
Lund University
defense location
Lund University Kemicentrum Hall K:F Getingevägen 60 SE-222 41 Lund
defense date
2006-12-07 10:30
ISBN
91-7422-132-9
language
English
LU publication?
yes
id
5673521b-64d5-4727-b307-cf57bd4d00f7 (old id 547577)
date added to LUP
2007-10-10 11:04:18
date last changed
2016-09-19 08:45:05
@misc{5673521b-64d5-4727-b307-cf57bd4d00f7,
  abstract     = {In plants, 14-3-3 proteins are key regulators of primary metabolism and membrane transport. It was previously thought that the 14-3-3 isoforms were not very specific with regard to target proteins, but more recent data suggest that the specificity may be high. Therefore, identification, localization, and characterization of all 14-3-3 isoforms in the model plant Arabidopsis are important. We identified all 14-3-3 genes in the fully sequenced Arabidopsis genome and partly characterized and localized the novel isoforms. We found three new 14-3-3 genes and determined the total number of genes to 15. Two of the novel genes were found to be transcribed and named grf11and 12, and the corresponding new 14-3-3 isoforms were named omicron and iota, respectively, and thereby 13 genes have now been shown to be expressed. Omicron is expressed in leaves, roots, and flowers, whereas the gene coding for iota is specifically expressed in flowers. We furthermore analysed the evolutionary history of the 14-3-3 family in plants, and particularly in Arabidopsis, which currently is the largest and most complete 14-3-3 family. We then used the interaction between 14-3-3 and the plasma membrane H+ pumping ATPase in Arabidopsis as a model system to elucidate potential isoform specificity in 14-3-3 binding. Considering the large number of 14-3-3 and H+-ATPase isoforms in Arabidopsis (13 and 11 expressed genes, respectively), specificity in binding may exist between 14-3-3 and H+-ATPase isoforms. We could show that the H+-ATPase is the main target for 14-3-3 binding at the plasma membrane, and that all twelve 14-3-3 isoforms tested bind to the H+-ATPase in vitro. Mass peptide fingerprinting identified two H+-ATPase isoforms, AHA1 and 2, as major isoforms in leaf plasma membranes. Using specific antibodies for nine of the 14-3-3 isoforms, we could show that most of the 14-3-3 isoforms are present in leaves, but that isolated plasma membranes lacked three of these isoforms, which suggests some specificity in the 14-3-3/ H+-ATPase interaction in vivo. We could also calculate that under ?unstressed? conditions less than one percent of total 14-3-3 in the cell is attached to the H+-ATPase. However, during a condition requiring full activation of H+ pumping several percent of total 14-3-3 may be engaged in activation of the H+-ATPase.},
  author       = {Alsterfjord, Magnus},
  isbn         = {91-7422-132-9},
  keyword      = {Växtbiokemi,Plant biochemistry,Biologi,Biology,Arabidopsis,14-3-3,H+-ATPase},
  language     = {eng},
  pages        = {83},
  publisher    = {ARRAY(0x89075e0)},
  title        = {The Arabidopsis 14-3-3 Family - Evolution, Expression, Localization, and Target Specificity},
  year         = {2006},
}