The enigma of plant tubulin detyrosination: lessons from a rice TTL family protein

Der Detyrosinierungs- und Retyrosinierungszyklus ist einer der häufigsten posttranslationalen Modifikationsprozesse für α-Tubulin. Die Abspaltung eines konservierten, C-terminalen Tyrosins von α-Tubulin durch eine noch nicht bekannte Tubulin-Tyrosin-Carboxypeptidase (TTC) und die Religation dieses Tyrosins durch eine Tubulin-Tyrosin-Ligase (TTL) ist ein vermutlich gemeinsames Merkmal in allen Eukaryoten. Um diesen Zyklus der De- und Retyrosinierung genauer untersuchen zu können, wurden in unserem Labor transgene Linien erstellt, welche die Tubulin-Tyrosin Kinase aus Reis (nachfolgend als OsTTL bezeichnet) in sowohl Reis, als auch in Tabak BY-2 Zellen mit einem RFP-tag überexprimieren. ... mehr

Überraschenderweise wurde herausgefunden, dass die Überexpression von OsTTL-RFP die relative Verweildauer von detyrosiniertem α-Tubulin in sowohl den Koleoptilen, als auch den Embryonalwurzeln erhöht ist und das dies mit stabileren und weniger transversal orientierten kortikalen Mikrotubuli einhergeht, die das Wachstums der Koleoptile und Seminalwurzeln beeinträchtigen. Pflanzen mit diesem Phänotyp zeigten eine gleichzeitig auftretende Störung in der Organisation der in den Phragmoplasten lokalisierten Mikrotubuli und eine fehlerhafte Orientierung der Zellwände. Folglich verändert die erhöhte Tubulin-Detyrosinierung, welche durch die Überexpression von OsTTL erreicht wurde, die strukturellen und dynamischen Eigenschaften von Mikrotubuli und beeinträchtigt damit die Axialität der Mittellamelle und schließlich das gesamte Pflanzenwachstum.

Die Überexpremierung von OsTTL-RFP in einer Mikrotubuli-Marker BY-2-Zelllinie, die NtTUA3-GFP exprimiert, veränderte die Kaltsensorfunktion der kortikalen Mikrotubuli, indem sie die kälteinduzierte Zerlegung der kortikalen Mikrotubuli beschleunigte, begleitet von einem ausgeprägten
Kalziumeinstrom, was schließlich zu einer verringerten Kälteakklimatisierung führte.

Der Abbau kortikaler Mikrotubuli, die durch die 1%ige n-Butanol induzierte Aktivierung der Phospholipase D (PLD) verursacht wurde, wurde durch eine Überexpression von OsTTL in der Zelllinie NtTAU3 BY-2 gemildert. OsPLDα1, eine Isoform der PLD-Familie aus Reis, die die gemeinsamen Funktionen der PLD vermittelt, wird vorzugsweise mit kortikalen Mikrotubuli, Spindel und Phragmoplastenmikrotubuli lokalisiert. Die Überexpression von OsPLDα1 erhöhte die Häufigkeit von detyrosiniertem α-Tubulin. Diese Ergebnisse deuteten auf eine funktionelle Interaktion zwischen OsPLDα1 und detyrosiniertem α-Tubulin hin.

Die Überexpression von OsTTL-RFP erhöhte nicht nur die Menge des α-Tubulin-Proteins, sondern auch die Transkription des α-Tubulin-Gens, sowie die Transkription von OsTTL, was auf eine gegenseitige Regulation der posttranslationalen Modifikation bei der Tubulinsynthese hindeutet.

The detyrosination/retyrosination cycle is the most common posttranslational modification of α-tubulin. Removal of the conserved C-terminal tyrosine of α-tubulin by a still elusive tubulin tyrosine carboxypeptidase (TTC), and religation of this tyrosine by a tubulin tyrosine ligase (TTL) are probably shared between all eukaryotes. To get insight into the biological functions of this tubulin detyrosination/retyrosination cycle, in our lab, a tubulin tyrosine ligase family protein from rice (referred as OsTTL) was cloned, and overexpression OsTTL-RFP lines were generated in both rice and tobacco BY-2 cells. ... mehr

It was found, unexpectedly, that overexpression of this OsTTL-RFP increased the relative abundance of detyrosinated α-tubulin in both coleoptile and seminal root, correlated with more stable microtubules and a less transverse orientation of cortical microtubule, followed by altered growth of coleoptiles and seminal roots. These phenotypes were accompanied by perturbed organisation of phragmoplast microtubules and disoriented cell walls. Thus, the elevated tubulin detyrosination in consequence of OsTTL overexpression affects structural and dynamic features of microtubule followed by changes in the axiality of cell plate deposition and consequently plant growth.

Overexpression of OsTTL-RFP in a microtubule marker BY-2 cell line expressing NtTUA3-GFP altered the cold sensing function of cortical microtubules by rendering more rapidly cold-induced disassembly of cortical microtubules, accompanied with a pronounced calcium influx, finally leading to reduced cold acclimation.

Disassembly of cortical microtubules caused by Phospholipase D (PLD) activation that induced by 1% n-butanol was mitigated by overexpressing OsTTL in the NtTAU3 BY-2 cell line. OsPLDα1, one isoform of the PLD family from rice that conveys the common functions of PLD, preferentially localised with cortical microtubules, spindle and phragmoplast microtubules. Overexpressing OsPLDα1 increased the abundance of detyrosinated α-tubulin. These results indicated a functional interaction between OsPLDα1 and detyrosinated α-tubulin.

Overexpression of OsTTL-RFP inceased not only the amount of α-tubulin protein but also the transcripts of α-tubulin gene as well as transcripts of OsTTL gene, suggesting a mutual regulation of posttranslational modification on tubulin synthesis.