Proteasomal protein turnover during defense priming in Arabidopsis

Proteasomaler Proteinabbau während der erworbenen Immunantwort in Arabidopsis

  • The ubiquitin-proteasome-system (UPS) is a cellular cascade involving three enzymatic steps for protein ubiquitination to target them to the 26S proteasome for proteolytic degradation. Several components of the UPS have been shown to be central for regulation of defense responses during infections with phytopathogenic bacteria. Upon recognition of the pathogen, local defense is induced which also primes the plant to acquire systemic resistance (SAR) for enhanced immune responses upon challenging infections. Here, ubiquitinated proteins were shown to accumulate locally and systemically during infections with Psm and after treatment with the SAR-inducing metabolites salicylic acid (SA) and pipecolic acid (Pip). The role of the 26S proteasome in local defense has been described in several studies, but the potential role during SAR remains elusive and was therefore investigated in this project by characterizing the Arabidopsis proteasome mutants rpt2a-2 and rpn12a-1 during priming and infections with Pseudomonas. Bacterial replicationThe ubiquitin-proteasome-system (UPS) is a cellular cascade involving three enzymatic steps for protein ubiquitination to target them to the 26S proteasome for proteolytic degradation. Several components of the UPS have been shown to be central for regulation of defense responses during infections with phytopathogenic bacteria. Upon recognition of the pathogen, local defense is induced which also primes the plant to acquire systemic resistance (SAR) for enhanced immune responses upon challenging infections. Here, ubiquitinated proteins were shown to accumulate locally and systemically during infections with Psm and after treatment with the SAR-inducing metabolites salicylic acid (SA) and pipecolic acid (Pip). The role of the 26S proteasome in local defense has been described in several studies, but the potential role during SAR remains elusive and was therefore investigated in this project by characterizing the Arabidopsis proteasome mutants rpt2a-2 and rpn12a-1 during priming and infections with Pseudomonas. Bacterial replication assays reveal decreased basal and systemic immunity in both mutants which was verified on molecular level showing impaired activation of defense- and SAR-genes. rpt2a-2 and rpn12a-1 accumulate wild type like levels of camalexin but less SA. Endogenous SA treatment restores local PR gene expression but does not rescue the SAR-phenotype. An RNAseq experiment of Col-0 and rpt2a-2 reveal weak or absent induction of defense genes in the proteasome mutant during priming. Thus, a functional 26S proteasome was found to be required for induction of SAR while compensatory mechanisms can still be initiated. E3-ubiquitin ligases conduct the last step of substrate ubiquitination and thereby convey specificity to proteasomal protein turnover. Using RNAseq, 11 E3-ligases were found to be differentially expressed during priming in Col-0 of which plant U-box 54 (PUB54) and ariadne 12 (ARI12) were further investigated to gain deeper understanding of their potential role during priming. PUB54 was shown to be expressed during priming and /or triggering with virulent Pseudomonas. pub54 I and pub54-II mutants display local and systemic defense comparable to Col-0. The heavy-metal associated protein 35 (HMP35) was identified as potential substrate of PUB54 in yeast which was verified in vitro and in vivo. PUB54 was shown to be an active E3-ligase exhibiting auto-ubiquitination activity and performing ubiquitination of HMP35. Proteasomal turnover of HMP35 was observed indicating that PUB54 targets HMP35 for ubiquitination and subsequent proteasomal degradation. Furthermore, hmp35-I benefits from increased resistance in bacterial replication assays. Thus, HMP35 is potentially a negative regulator of defense which is targeted and ubiquitinated by PUB54 to regulate downstream defense signaling. ARI12 is transcriptionally activated during priming or triggering and hyperinduced during priming and triggering. Gene expression is not inducible by the defense related hormone salicylic acid (SA) and is dampened in npr1 and fmo1 mutants consequently depending on functional SA- and Pip-pathways, respectively. ARI12 accumulates systemically after priming with SA, Pip or Pseudomonas. ari12 mutants are not altered in resistance but stable overexpression leads to increased resistance in local and systemic tissue. During priming and triggering, unbalanced ARI12 levels (i.e. knock out or overexpression) leads to enhanced FMO1 activation indicating a role of ARI12 in Pip-mediated SAR. ARI12 was shown to be an active E3-ligase with auto-ubiquitination activity likely required for activation with an identified ubiquitination site at K474. Mass spectrometrically identified potential substrates were not verified by additional experiments yet but suggest involvement of ARI12 in regulation of ROS in turn regulating Pip-dependent SAR pathways. Thus, data from this project provide strong indications about the involvement of the 26S proteasome in SAR and identified a central role of the two so far barely described E3-ubiquitin ligases PUB54 and ARI12 as novel components of plant defense.show moreshow less
  • Das Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) ist ein in drei Schritten enzymatisch ablaufender Prozess zur Ubiquitinierung von Proteinen, wodurch diese zum proteolytischen Abbau an das 26S Proteasom geschickt werden. Verschiedene Komponenten des UPS sind zentral an der Regulation von Immunantworten während der Infektion mit phytopathogenen Bakterien beteiligt. Beim Erkennen einer Infektion werden lokale Abwehrreaktionen initiiert, wobei auch mobile Signale in distalen Pflanzenteilen verteilt werden, welche die Pflanze primen (vorbereiten). Mit dem Erwerb der systemischen Resistenz (SAR) kann die Immunantwort bei einer zweiten Infektion verstärkt aktiviert werden. Es wurde hier gezeigt, dass ubiquitinierte Proteine in lokalem und systemischem Gewebe akkumulieren, wenn Arabidopsis mit Pseudomonas infiziert oder mit SAR-induzierender Salizylsäure (SA) oder Pipecolinsäure (Pip) behandelt wird. Die genaue Rolle des 26S Proteasoms in der systemischen Immunantwort ist bisher unklar und wurde daher in diesem Projekt mithilfe der Charakterisierung derDas Ubiquitin-Proteasom-System (UPS) ist ein in drei Schritten enzymatisch ablaufender Prozess zur Ubiquitinierung von Proteinen, wodurch diese zum proteolytischen Abbau an das 26S Proteasom geschickt werden. Verschiedene Komponenten des UPS sind zentral an der Regulation von Immunantworten während der Infektion mit phytopathogenen Bakterien beteiligt. Beim Erkennen einer Infektion werden lokale Abwehrreaktionen initiiert, wobei auch mobile Signale in distalen Pflanzenteilen verteilt werden, welche die Pflanze primen (vorbereiten). Mit dem Erwerb der systemischen Resistenz (SAR) kann die Immunantwort bei einer zweiten Infektion verstärkt aktiviert werden. Es wurde hier gezeigt, dass ubiquitinierte Proteine in lokalem und systemischem Gewebe akkumulieren, wenn Arabidopsis mit Pseudomonas infiziert oder mit SAR-induzierender Salizylsäure (SA) oder Pipecolinsäure (Pip) behandelt wird. Die genaue Rolle des 26S Proteasoms in der systemischen Immunantwort ist bisher unklar und wurde daher in diesem Projekt mithilfe der Charakterisierung der Proteasommutanten rpt2a-2 und rpn12a-1 während des Primings genauer untersucht. In Bakterienwachstumsversuchen zeigte sich eine lokal und systemisch erhöhte Suszeptibilität der Proteasommutanten, welche auf molekularer Ebene durch ausbleibende Aktivierung von Abwehrgenen verifiziert wurde. Beide Mutanten akkumulieren ähnliche Mengen Camalexin während einer Infektion, sind aber in der Biosynthese von SA gestört. Die endogene Applikation von SA löst lokale PR-Gen Expression aus, kann aber nicht das SAR-Defizit ausgleichen. In einem RNAseq Experiment wurde das Transkriptom von Col-0 und rpt2a-2 während des Primings analysiert und zeigte, dass zentrale Abwehr- und SAR-Gene nicht oder nur schwach induziert werden. Es konnte somit gezeigt werden, dass ein funktionales 26S Proteasom zur vollen Induktion aller Teile der lokalen und systemischen Immunantwort benötigt wird, während ausgleichende Prozesse weiterhin aktiviert werden können. E3-Ubiquitin Ligasen führen den letzten Schritt der Substratubiquitinierung durch und vermitteln dadurch die Spezifität des proteasomalen Proteinabbaus. Mithilfe des RNAseq Experiments konnten 11 differentiell exprimierte Transkripte, annotiert als E3-Ligasen, identifiziert werden. Von diesen wurden PLANT U-BOX 54 (PUB54) und ARIADNE 12 (ARI12) weiter analysiert, um ein tiefergehendes Verständnis ihres Einflusses auf die systemische Immunantwort zu erhalten. PUB54 wird während des Primings und bei Infektionen mit virulenten Pseudomonas exprimiert. Die pub54 I und pub54-II Mutanten zeigen lokal und systemisch eine wildtyp-ähnliche Resistenz. Das „heavy-metal associated protein 35” (HMP35) wurde in Hefe als potentielles Substrat von PUB54 identifiziert und in vitro und in vivo verifiziert. PUB54 ist eine aktive E3-Ligase mit Autoubiquitinierungsaktivität, welche HMP35 ubiquitiniert. HMP35 wird außerdem in planta proteasomal abgebaut, wodurch eine Ubiquitinierung von HMP35 durch PUB54 zum proteasomalen Abbau nahegelegt wird. Des Weiteren wurde gezeigt, dass hmp35 Mutanten von erhöhter Resistenz profitieren. HMP35 agiert möglicherweise als negativer Regulator der Immunantwort und wird zur Aktivierung von Abwehrreaktionen durch PUB54 für den proteasomalen Abbau markiert. ARI12 wird nach Priming oder Infektion mit Pseudomonas transkriptionell aktiviert und nach sekundärer Infektion hyperinduziert, wobei die Behandlung mit SA keine Expression induziert. ARI12 ist jedoch reduziert in npr1 und fmo1 Mutanten, wodurch eine Abhängigkeit der Genexpression von funktionalen SA- und Pip-Signalwegen angedeutet wird. ARI12 akkumuliert in systemischem Gewebe nach lokaler Behandlung mit SA, Pip, oder Pseudomonas. Die ari12 Mutante zeigt wildtypähnliche Resistenz gegenüber bakteriellen Infektionen, wohingegen die Überexpression zu einer verstärkten Resistenz in lokalem und systemischem Gewebe führt. Unausgewogene Level von ARI12 (d.h. knockout oder Überexpression) führen zur erhöhten Expression von FMO1, sodass ARI12 potentiell eine regulatorische Rolle in der Pip-vermittelten systemischen Immunantwort übernimmt. Es konnte gezeigt werden, dass ARI12 eine aktive E3-Ligase mit Autoubiquitinierungsaktivität an Lys474 ist, welche vermutlich für die Aktivierung benötigt wird. Massenspektrometrisch identifizierte, mögliche Substrate von ARI12 konnten noch nicht experimentell bestätigt werden, deuten aber auf eine Rolle von ARI12 in der Regulation von reaktiven Oxygen Spezies (ROS) hin, welche wiederum Pip-anhängige Signalwege regulieren. Zusammengenommen deuten die Daten aus diesem Projekt darauf hin, dass das 26S Proteasom durch den regulierten Proteinabbau zentral ist für die systemische erworbene Resistenz und dass die bisher wenig untersuchten E3-Ligasen PUB54 und ARI12 neue regulatorische Komponenten der pflanzlichen Immunabwehr darstellen.show moreshow less

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Metadaten
Author details:Daniela SpintiORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-505909
DOI:https://doi.org/10.25932/publishup-50590
Reviewer(s):Tina RomeisORCiDGND, Marcel WiermerORCiDGND
Supervisor(s):Frederik Börnke
Publication type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of first publication:2021/06/07
Completion year:2021
Publishing institution:Universität Potsdam
Granting institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2021/04/20
Release date:2021/06/07
Tag:Arabidopsis; E3-Ubiquitin Ligasen; Ubiquitin-Proteasom-System; erworbene Immunantwort
Arabidopsis; E3-ubiquitin ligases; Ubiquitin-proteasome-system; defense priming
Page number:x, 164
RVK - Regensburg classification:WD 5080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
DDC classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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