Molecular and Functional Characterization of the Arabidopsis thaliana Response Regulator ARR18

Abstract

The two-component signaling system evolved as an important sensing and responding mechanism in Arabidopsis thaliana, which consists of hybrid histidine kinases (AHKs), histidine phosphotransfer proteins (AHPs) and response regulators (ARRs) biochemically linked by a histidine to aspartate phosphorelay. In our work, several functional and molecular biological approaches were performed to characterize and understand the function of the B-type response regulator ARR18. In our study, ARR18 has been found to be an active transcription factor whose activity and homodimerization mainly depend on its phosphorylation state. Further investigations revealed that ARR18 is also able to form heteromers with bZIP63 and negatively influences the transcriptional activity of bZIP63 in a process that again depends on the ARR18 phosphorylation state. Moreover, extensive studies showed that ARR18 and bZIP63 function as antagonistic regulators in osmotic stress signaling in Arabidopsis thaliana. The results of our study reveal the importance of the phosphorylation state of the ARRs in controlling each signaling mechanism and the importance of non-TCS related proteins which, by direct interaction with TCS elements, add a new degree of diversity and complexity to the TCS signaling network.

Das Zweikomponentensystem hat sich zu einem wichtigen Signal-Antwort-Mechanismus in Arabidopsis thaliana entwickelt und besteht aus Hybrid-Histidinkinasen (AHKs), Histidin Phosphotransferproteinen (AHPs) und Responseregulatoren (ARRs), welche biochemisch über einen Histidin zu Aspartat Phosphorelay miteinander in Verbindung stehen. In der vorliegenden Arbeit wurde die funktion des Response-reulators ARR18 durch verschiedene funktionale und molekularbiologische Ansätze näher characterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass ARR18 ein aktiver Transkriptionsfaktor ist dessen Aktivität und Homodimerisierung hauptsächlich von seinem Phosphorylierungszustand abhängen. Weitere Untersuchungen zeigten, dass ARR18 auch Heterodimere mit bZIP63 bilden kann und dessen Transkriptionsaktivität negativ beeinflusst, was ebenfalls vom Phosphorylierungszustand von ARR18 abhängt. Des Weiteren wurde durch umfassende Untersuchungen gezeigt, dass ARR18 und bZIP63 antagonistische Regulatoren der osmotischen Stressantwort in Arabidopsis thaliana darstellen. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen zeigen die Bedeutung des Phosphorylierungszustandes der ARR18 bei der Kontrolle jedes Signalmechanismus sowie die Bedeutung von Proteinen, die nicht zum Zweikomponentensystem gehören jedoch durch direkte Interaktion mit dessen Elementen diesem ein neues Ausmaß an Diversität und Komplexität verleihen.