Transformation von Pflanzenzellen von Generalisten zu Spezialisten

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Wenn eine wachsende Pflanze ihre Wurzeln in den Boden ausdehnt, nehmen die neuen Zellen, die sich an ihren Spitzen bilden, verschiedene Rollen an, vom Transport von Wasser und Nährstoffen bis zum Erfassen der Schwerkraft.

Eine neue Studie weist auf einen Weg hin, wie diese neu gebildeten Zellen, die alle die gleiche DNA enthalten, ihre speziellen Identitäten annehmen.

Forscher haben eine Reihe von DNA-bindenden Proteinen in den Wurzeln der Pflanze Arabidopsis thaliana identifiziert, die in Kombination dazu dienen, Vorläuferzellen zu unterstützen, die selektiv verschiedene Teile derselben genetischen Schrift lesen und ihre unterschiedlichen Schicksale erfassen.

Unter der Leitung von Forschern der Duke University bietet die Studie Hinweise auf eine langjährige Frage der Entwicklungsbiologie, nämlich wie Pflanzen und Tiere aus den gleichen Anweisungen so viele Arten von Zellen herstellen.

Die Ergebnisse erscheinen in der 5. Dezember Ausgabe der Zeitschrift Developmental Cell.

Pflanzen- und Tiergewebe beginnen als unreife Zellen, die Stammzellen genannt werden. Damit diese unspezialisierten Zellen die Eigenschaften erhalten, die eine Blattzelle von einer Wurzelzelle oder einer Blutzelle, die sich von einer Muskelzelle unterscheidet, unterscheiden, müssen sie verschiedene Untergruppen von Genen einschalten, um die für die charakteristischen Eigenschaften jedes Zelltyps verantwortlichen Proteine ​​zu produzieren.

"Es ist ein Henne-Ei-Problem", sagte Erstautorin Erin Sparks, eine Post-Doc-Mitarbeiterin mit Duke-Biologie-Professor Philip Benfey. Wie fangen Zellen an, verschiedene Gene einzuschalten, wenn sie alle gleich sind?

Sparks, Benfey und Kollegen denken, dass sie einen Weg in Arabidopsis gefunden haben.

Als Cousin von Kohl und Radieschen ist Arabidopsis die Labormaus der Pflanzenwelt. Die winzigen fadenförmigen Wurzeln der Pflanze bestehen aus etwa 15 Zellarten mit jeweils eigenen Aufgaben.

Nur ein Teil der 30.000 Gene der Pflanze ist zu einer bestimmten Zeit in einer bestimmten Wurzelzelle aktiv, dank der sogenannten Transkriptionsfaktoren, die Gene nach Bedarf ein- und ausschalten.

Die Studie konzentrierte sich auf einen Schlüsseltranskriptionsfaktor in Arabidopsis, genannt "Kurzwurzel", so genannt, weil Pflanzen mit schädlichen Versionen des Kurzwurzelgens verkümmerte Wurzeln haben.

In den vergangenen Jahrzehnten haben Benfey und Kollegen gezeigt, dass Kurzwurzel als Hauptschalter fungiert und den Prozess initiiert, der Allzweck-Vorläuferzellen in spezialisierte Zellen transformiert, die in bestimmten Teilen der Arabidopsis-Wurzel vorkommen.

Frühere Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass Short-Root auch andere Transkriptionsfaktoren aktiviert, wodurch eine Kaskade entsteht, in der jedes genregulierende Protein das nächste Signal im Wurzelentwicklungspfad steuert.

Forscher haben viele der Gen-Ziele von Short-Root identifiziert, waren sich aber nicht sicher, was den Short-Root-Master-Switch ansteuerte, um die Kaskade zu starten.

Die Antwort, so die neue Studie, liegt in nicht einem, sondern mehreren DNA-bindenden Proteinen.

Sparks verwendete eine modifizierte Version einer Technik, die als Hefe-Ein-Hybrid-Assay bezeichnet wurde, um mehr als 20 Wurzelproteine ​​zu identifizieren, die wahrscheinlich an die Promotorregion des Kurz-Wurzel-Gens binden würden, um ihre Aktivität zu kontrollieren.

Tatsächlich erzeugten Pflanzen mit mutanten Versionen dieser DNA-bindenden Proteine ​​Stammzellen mit veränderten Mengen an Kurzwurzeln.

Einige Bindungsproteine ​​arbeiten, indem sie das Short-root-Gen und andere aktivieren, indem sie es ausschalten. Obwohl die meisten dieser Proteine ​​in mehreren Wurzelzelltypen vorhanden sind, legen die statistischen Modelle und Experimente in lebenden Pflanzen nahe, dass der kombinierte Effekt darin besteht, den Kurzstamm-Hauptschalter in einigen Zellen, aber nicht in anderen zu aktivieren.

"Es geht um das Gleichgewicht zwischen Aktivatoren und Repressoren", sagte Sparks. "Es ist ihr koordinierter Effekt, der Short-Root aktiviert oder deaktiviert."

Ähnliche Mechanismen könnten die Zelldifferenzierung auch bei anderen Pflanzenarten initiieren, so Sparks. Wenn dies der Fall ist, könnte es das Zellschicksal für zufällige Mutationen im genetischen Code einer Pflanze widerstandsfähiger machen, selbst wenn solche Veränderungen einige genregulierende Proteine ​​daran hindern, ihre beabsichtigten DNA-Ziele zu binden.

"Durch die Verteilung der Verantwortung können wir das System gegen kleine Änderungen puffern", sagte Sparks.

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