Glykierung von Kernhistonen als epigenetischer Mechanismus der Trockenstresstoleranz bei Pflanzen

Abstract

Posttranslationale Modifikationen (PTMs) von Histonen, insbesondere Acetylierung, Methylierung und ADP-Ribosylierung, spielen eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Genexpression. Kürzlich wurde gezeigt, dass die Glykierung von Kernhistonen die Genexpressionsregulation in Säugerzellen beeinflusst. Glykierung wird üblicherweise als eine nicht-enzymatische Reaktion von Lysin- und Argininresten in Proteinen mit reduzierenden Kohlenhydraten und Carbonylprodukten ihres oxidativen und nicht-oxidativen Abbaus beschrieben, die zur Bildung fortgeschrittener Glykierungsendprodukte (AGEs) führt. Die Glykierung von Histonen beeinflusst die Assemblierung und Stabilität von Nukleosomen in Säugetieren. Darüber hinaus wirkt sie sich auf die Chromatinarchitektur aus und trägt zur Pathogenese von Krebs bei. Trotzdem wurde die Glykierung von Histonen in Pflanzen bisher noch nicht beschrieben, obwohl bereits bekannt ist, dass die pflanzliche Reaktion auf Umweltstress (insbesondere Trockenstress) die Muster der Proteinglykierung beeinflusst. Daher schlagen wir hier eine umfassende Charakterisierung trockenheitsspezifischer pflanzlicher Histon-Glykierungsmuster sowohl in Arabidopsis als auch in der Kulturpflanze Gerste vor. Im ersten Schritt wurden geeignete Trockenstressmodelle erfolgreich für Arabidopsis und Gerste optimiert. Anschließend optimierten wir das Protokoll zur Isolierung von Zellkernen aus dem Blattgewebe. Danach wurden die Pflanzen kultiviert und dem Trockenstress ausgesetzt. Die Zellkerne wurden aus dem Blattmaterial gewonnen, die Histone isoliert, verdaut und mittels nanoLC-ESI-LIT-Orbitrap-MS im Data-Dependent-Acquisition-(DDA-)Modus analysiert. Die Datenbanksuche erfolgte mittels des SEQUEST-Algorithmus, während die quantitativen Unterschiede durch eine labelfreie Strategie charakterisiert wurden. Nach der Analyse der Daten identifizierten wir die Hotspots der Histon-Glykierung in vivo sowie quantitative Unterschiede zwischen Kontroll- und gestressten Pflanzen im Glykierungsgrad der Kernhistone. Post-translational modifications (PTMs) of histones, specifically acetylation, methylation and ADP-ribosylation, play an important role in the regulation of gene expression. Recently, glycation of core histones was shown to impact on regulation of gene expression in mammalian cells. Glycation is usually referred to as a non-enzymatic reaction of protein lysyl and arginyl residues with reducing carbohydrates and carbonyl products of their oxidative and non-oxidative degradation, forming advanced glycation end products (AGEs). Glycation of histones impacts on assembly and stability of nucleosomes in mammals. Moreover, it impacts on chromatin architecture and contributes to the pathogenesis of cancer. Despite this, glycation of histones even is not yet described in plants, although the fact that a plants’ response to environmental stress (especially drought) also affects protein glycation patterns is already known. Therefore, we started a comprehensive characterization of drought-specific plant histone glycation patterns both in Arabidopsis and the crop plant barley. In the first step, appropriate drought stress models were successfully optimized for Arabidopsis and barley. Furtheron, we optimized the protocol for the isolation of nuclei from the leaf tissue. After this the plants were grown and stressed with drought. The nuclei were obtained from the leaf material, and histones were isolated, digested (new method) and analyzed by nanoLC-ESI-LIT-Orbitrap-MS in a data-dependent acquisition (DDA) mode. Database search relied on the SEQUEST algorithm, whereas quantitative differences were characterized by the label-free strategy. After analysis of the data, we found the hotspots of histone glycation in vivo and quantitative differences between control and stressed plants in glycation level of core histones.