MicroProteins in the Regulation of Flowering Time

Abstract

Plants are, as sessile organisms, highly dependent on their ability to adapt to an ever changing environment. In order to do so they developed a remarkable variety of regulatory networks which enable them to perceive, integrate and adapt towards their surroundings on a molecular level. Transcription factors as regulators of gene activity are an essential component of those networks. They often interact via specific interaction domains and form high order complexes with further proteins. MicroProteins, small proteins with a single protein-protein interaction domain, function as negative regulators of protein complex formation by sequestering their target proteins in a non-functional state. Their mode of function enables them to modulate the activity transcription factors in regulatory networks and in the past years several examples for processes in which microProteins play important roles have been described. In order to learn more about the role of microProteins in development, we performed a computational screen to identify proteins with microProtein characteristics in the model plant Arabidopsis thaliana. Among the identified proteins where two small B-Box proteins – subsequently named miP1a and miP1b- which we further characterized. Overexpression of miP1a/b in Arabidopsis causes late flowering under inductive long day conditions whereas artificial reduction of their expression causes plants to flower slightly earlier. Both microProteins are able to interact with the flower promoting B-Box protein CONSTANS and we characterized miP1a/b as negative regulators of CONSTANS activity. Analysis of the temporal and spatial expression of miP1a and miP1b revealed a diurnal pattern of expression with high mRNA levels in the night period and a vascular expression of miP1a and miP1b. Finally, we characterized the interaction of miP1a/b with the transcriptional co-repressor TOPLESS and showed, that the two microProteins are able to engage CONSTANS and TOPLESS in a trimeric complex. Our findings point towards a novel role for CONSTANS, not only as a flowering promoting factor, but also as a repressor of the floral transition in the presence of miP1a and miP1b, were it becomes engaged together with TOPLESS in a trimeric complex.

Pflanzen sind als sessile Organismen darauf angewiesen, sich Veränderungen in ihrer Umwelt anpassen zu können. Um dies zu bewerkstelligen habe sie in ihrer Evolution bemerkenswert vielseitige molekulare Netzwerke entwickelt, die es ihnen erlauben Veränderungen in ihrer Umgebung wahrzunehmen und sich diesen anzupassen. Transkripitionsfaktoren sind Proteine, welche die Aktivität von Genen regulieren und sind ein wesentlicher Bestandteil dieser molekularen Netzwerke. Oft interagieren sie mit anderen Proteinen anhand von spezifischen Interaktionsdomänen und bilden größere Proteinkomplexe. MikroProteine, eine Klasse von kleinen Proteinen die lediglich aus einer solche Interaktionsdomäne bestehen, interagieren spezifisch mit anderen Proteinen und verhindern so die Bildung eines funktionellen Komplexes. Diese Funktionsweise ermöglicht es ihnen die Aktivität von Transkriptionsfaktoren in regulatorischen Netzwerken zu beeinflussen. Mehrere Beispiele für solche durch MikroProteine regulierten Prozesse wurden in den letzten Jahren beschrieben. Um die Rolle von MikroProteinen in Entwicklungsprozessen besser zu verstehen, haben wir in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana systematisch nach Proteinen mit den Eigenschaften von MikroProtein gesucht. Unter anderem fanden wir dabei zwei kleine B-Box Proteine, im Folgenden miP1a und miP1b genannt, die wir genauer untersucht haben. Die Überexpression der beiden Proteine bewirkt spätes Blühen unter normalerweise blühinduzierenden Wachstumsbedingungen wohingegen die künstliche Reduktion ihrer Expression leicht früheres Blühen bewirkt. Die beiden Proteine sind in der Lage mit CONSTANS, einem anderen B-Box Protein welches maßgeblich an der Blühinduktion beteiligt ist, zu interagieren. Wir konnten zeigen, dass miP1a und miP1b CONSTANS in seiner Aktivität inhibieren. Die beiden MikroProteine weisen eine zyklische Expression im Verlauf des Tages mit einem Expressionsmaximum während der Nacht auf. Vornehmlich sind sie in der Vaskulatur der oberirdischen Pflanzenteile exprimiert. Zusätzlich konnten wir zeigen, dass miP1a und miP1b mit TOPLESS, einem transkriptionellem Ko-Repressor interagieren und CONSTANS mit diesem zusammen in einem trimeren Komplex binden. Diese Entdeckung beschriebt eine neue Funktion von CONSTANS, dass somit nicht nur als Blühinduzierender Faktor sondern auch als reprimierender Faktor fungieren kann, wenn es durch miP1a und miP1b in einem Komplex zusammen mit TOPLESS eingebunden wird.