Persbericht
Moleculaire passer bepaalt hormoonreactie in de plant
Het plantenhormoon auxine lijkt wel de Haarlemmerolie van de plantengroei. De vorming van wortels en van vaten voor de sapstroom, de groei richting het licht; er is bijna geen groeiproces dat zonder dit hormoon kan. Hoe dit chemisch eenvoudige molecuul dat voor elkaar krijgt bleef lang een raadsel. In het toptijdschrift Cell van 30 januari laat de onderzoeksgroep van prof. Dolf Weijers van Wageningen University zien hoe moleculaire schakelaars in de vorm van een passer ervoor zorgen dat er in vele delen van de plant unieke hormoonreacties optreden. De kennis kan helpen om processen zoals wortelvorming beter te sturen.
Het hormoon auxine schakelt een groot aantal genen in de plant aan en uit. Hiervoor zijn speciale eiwitten die aan het DNA binden, de Auxine Respons factoren (ARF), essentieel. Er bestaan 23 verschillende ARF-eiwitten. De groep van Dolf Weijers liet in het Laboratorium voor Biochemie van Wageningen University zien dat ze verschillende genen aansturen bij de onderzoeksplant zandraket (Arabidopsis). En al die ARF-eiwitten hebben hun eigen effect.
Samen met de structuurbiologen Roeland Boer en Miquel Coll uit Barcelona hebben de twee teams nu de 3D-structuur van de ARF-eiwitten op moleculaire schaal opgehelderd. Hieruit blijkt dat de ARF-eiwitten niet in hun eentje aan het DNA binden. Ze binden in paren. Omdat een paar sterker aan DNA bindt dan een enkel ARF-eiwit was de verwachting dat wanneer er veel bindingsplaatsen voor ARF-eiwitten op een gen aanwezig zijn, auxine daar ook een sterk sturende invloed zal hebben.
Teleurstelling
De centrale vraag die de onderzoekers wilden beantwoorden in deze studie is waarin de ARF-eiwitten van elkaar verschillen, en hoe daardoor andere genen door de 23 ARF-eiwitten worden herkend. De verwachting was dat het gedeelte van de ARF-eiwitten dat het DNA herkent, verschilt, en dat daardoor andere stukjes gebonden worden. Door van een aantal ARF-eiwitten de herkenningsplaatsen te bepalen deden de onderzoekers een verrassende ontdekking: de ARF-eiwitten blijken alle hetzelfde stukje van zes DNA-basen te herkennen. “Dit was een grote teleurstelling!,” aldus Dolf Weijers. “We dachten dichtbij een verklaring te zijn waarom de ARFs verschillen in hun DNA-bindingseigenschappen. Maar we bleken er naast te zitten”.
Het team deed een proef op de som door de structuren van twee ARF-eiwitten te vergelijken. Die structuren zijn al meer dan 400 miljoen jaar geleden uit elkaar zijn gegroeid, maar de contactpunten met het DNA bleken in die tijd inderdaad ongewijzigd.
Passer
De grote vraag bleef dus: waarin verschilt de DNA-binding van de ARF-eiwitten? “We realiseerden ons dat de paarvorming van de ARF-eiwitten een nieuwe dimensie aan de DNA-binding toevoegt. Er worden twee ARF-herkenningsplaatsen gebonden in plaats van één. Je kunt je dit voorstellen als een passer waarvan de twee punten het DNA raken,” licht prof. Weijers toe. Het was al in de jaren negentig bekend dat twee ARF-herkenningsplaatsen dicht in elkaars buurt in een gen tot sterke activering van het gen door auxine leidt. “We dachten dat de afstand tussen de twee herkenningsplaatsen wel eens een rol zou kunnen spelen in de herkenning door een ARF-duo.”
Door de afstand tussen twee herkenningsplaatsen te variëren konden de onderzoekers aantonen dat die afstand er inderdaad toe doet. Belangrijker nog, de binding van verschillende ARF-eiwitten hangt sterk af van de afstand tussen de plaatsen. Met andere woorden, de moleculaire passer van het ene ARF-eiwit staat anders, wijder of juist smaller, ingesteld dan van het andere eiwit.
Met deze studie is een belangrijke stap gezet in het begrip van waarom sommige genen wel en andere niet onder controle van auxine staan, en geeft ook een duidelijke werkhypothese van waarin de ARF-eiwitten verschillen. “Een volgende uitdaging is nu te laten zien dat dit passer-mechanisme ook in de plant gebruikt wordt”, zegt de biochemicus. Eerder onderzoek van Weijers’ team liet al zien dat de 23 ARFs in zandraket op verschillende plaatsen in de plant voorkomen. “We willen nu graag achterhalen of dit model kan verklaren dat in wortel en bloem andere genen door andere ARF eiwitten aangeschakeld worden”.
Auxine wordt niet alleen door de plant gebruikt om de groei en ontwikkeling te sturen. Ook in de landbouw, fruitteelt en vermeerdering van gewassen wordt auxine veelvuldig als groeiregulator, stekmiddel of herbicide ingezet. Met de detailkennis over hoe auxine de genen aanschakelen, ontstaat de mogelijkheid om veel gerichter de activiteit van auxine in planten aan te passen. Een voorbeeld: op dit moment kan auxine worden gebruikt om wortelvorming te bevorderen, maar telers moeten dan op de koop toenemen dat er tegelijk ook andere groei-effecten optreden. Anderzijds is de reactie op auxine niet in alle planten hetzelfde, waardoor de beworteling niet altijd goed werkt. De kennis over hoe de genen door ARFs worden herkend zou moeten kunnen helpen om ARF-varianten te selecteren met een andere of meer beperkte specificiteit, zodat er een andere reactie op auxine plaatsvindt.