Stammzellregulation durch den Transkriptionsfaktor WOX5 im Wurzelmeristem von Arabidopsis thaliana

• Antragsteller: Professor Dr. Thomas Laux
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 329370126

Pluripotente Stammzellen in den Meristemen der Pflanzen sind der Ursprung für die lebenslange Bildung neuer Gewebe und Organe, wie Wurzel, Sprosse, und Blätter. Die Entschlüsselung der Mechanismen, die die Aktivität von Stammzellen regulieren, ist deshalb von zentraler Bedeutung, um Wachstum und Entwicklung von Pflanzen zu verstehen. Die Columella-Stammzellnische des Wurzelmeristems hat einen sehr einfachen Aufbau und ist deshalb eine ideales Modell für Stammzellforschung: die Zellen des Ruhezentrums spezifizieren die benachbarten Columellastammzellen (CSC), deren Tochterzellen direkt zu Columellazellen differenzieren, die für die Erkennung der Schwerkraft in der Wurzelspitze notwendig sind.Wir haben weitreichende Vorarbeiten für dieses Vorhaben durchgeführt, um die Mechanismen der CSC Regulation in der Modellpflanze Arabidopsis genetisch und molekular zu charakterisieren. Dabei haben wir den mobilen Transkriptionsfaktor WOX5 (WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 5) als einen zentralen Regulator der CSC Spezifizierung entdeckt. Ektopische WOX5 Expression führt zur Bildung induzierter CSCs (iCSCs) in ausreichender Menge und Reinheit für molekulare Untersuchungen. Wir konnten dadurch zeigen, daß WOX5 mehrere hundert Gene direkt reguliert, was nahelegt, daß CSC Identität durch ein komplexen genetischen Netzwerks bestimmt wird. Auf Grund unserer bisherigen Ergebnisse verfolgen wir die Hypothese, daß WOX5 die Transkription der meisten Zielgene durch Histonmodifizierungen hemmt und somit das epigenetische Profil der Stammzellen formt. Zusätzlich wird durch WOX5 auch die Transkription einiger Zielgene aktiviert, darunter das Gen für den neuen Stammzellregulator HANABA TARANU (HAN).Das Ziel dieses Antrags ist, das durch WOX5 regulierte genetische Netzwerk bei der Spezifizierung von CSCs funktional zu charakterisieren. Wir werden zunächst mit angereicherten Zellkernen auf Genomebene WOX5 induzierte Histonmodifizierungen während der Umprogrammierung von differenzierten Zellen in iCSCs und in adulten Stammzellen untersuchen. In einem zweiten Ansatz werden wir die Funktion der WOX5 Zielgene für den Stammzellinhibitor CDF4 und den positiven Stammzellregulator HAN bei der Regulation der Balance zwischen Stammzellerhaltung und Zelldifferenzierung genetisch wie auch durch live-imaging untersuchen. Durch unsere umfangreiche Vorarbeiten kann unverzüglich mit den Experimenten begonnen werden.Die Kombination von genomischen und genspezifischen Analysen eröffnet eine hervorragende Möglichkeit, ein integratives Bild der Mechanismen bei der Stammzellspezifizierung zu erhalten. Da verwandte WOX Gene die Stammzellen in verschiedenen Meristemen der Pflanze regulieren, erwarten wir, daß dieses Projekt Einsichten in generelle Mechanismen der pflanzlichen Stammzellregulation generiert. Dieses Vorhaben adressiert zudem nicht nur fundamentale Fragen der Stammzellbiologie, sondern liefert auch wichtige Erkenntnisse für Wachstum und Produktivität von Nutzpflanzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen