Auxin Response Factors: integrating auxin signalling with DNA recognition and epigenetics

Abstract

Les auxines són les principals fitohormones que governen el creixement i desenvolupament de les plantes, principalment a través de la via nuclear de l’auxina, NAP. Els efectors finals en NAP són els factors de resposta d’auxina (ARF). Els ARF s’han relacionat amb les auxines durant dècades, però recents estructures del ‘domini d’unió a l’ADN (ARF-DBD) van revelar una conservació excepcionalment alta dels punts de contacte de l’ADN, de manera que era poc probable que aquest domini determinés l’especificitat de selecció. Aquestes estructures van suggerir que la dimerització i l’espaiat dels elements d’unió a l’ADN poden determinar l’especificitat, una hipòtesi coneguda com “calibres moleculars”. Presentem al capítol 2 l’estructura de Marchantia polymorpha ARF2 en complex amb DNA. Els nostres resultats mostren que, tot i que Marchantiophyta i Brassicaceae divergir fa 400 milions d’anys, l’estructura es conserva fins i tot en els punts de contacte de l’ADN. La posició dels subdominis DBD pot determinar la selectivitat d’espaiat. Els dominis AtARF1 B3 estan més distants, mostrant una preferència per un major espaiat d’AuxRE en comparació amb MpARF2 i AtARF5. L’única diferència en les estructures està en α1, més llarga en AtARF1, que estableix més contactes que bloquejarien la posició dels subdominis. Al capítol 3 vam provar l’efecte de la posició entre subdominis suggerida al capítol 2 i també vam trobar que els ApoARF poden hetero/homodimerizar, encara que la principal impulsora de la dimerització és la interacció de l’ADN. Tot i que el calibre molecular pot explicar parcialment l’especificitat de les ARF, tota la variabilitat genètica desencadenada per les auxines en organismes complexos requereix d’altres selectors d’especificitat. Les nostres estructures també proposen una explicació per a l’alta afinitat de l’ADN, on la inversió de la cadena lateral His136 (numeració AtARF1) permet una interacció d’alta afinitat amb certes seqüències d’ADN. Analitzem també el domini auxiliar de ARF-DBD (ARF-AD), un subdomini sense funció prèvia assignada. El plegament de l’ARF-AD està relacionat amb els dominis Tudor, un membre de la “Royal Family”” (RF) de lectors d’histones metilades. El capítol 4 revisa la classificació de RF, resumint els elements necessaris perquè una proteïna formi part d’aquesta superfamília. Aquesta revisió ens va permetre analitzar si ARF-AD compleix amb les característiques de la família RF, ja que ARF-AD compartia elements amb múltiples subfamílies RF. En el capítol 5 demostrem que ARF-AD reté tots els elements estructurals per ser un lector de modificació postraduccional d’histones funcional, i que aquest domini no està relacionat en seqüència amb cap altra proteïna que no sigui ARF o proteïnes vegetals. El lloc d’unió en els ARF sempre està cobert per un aminoàcid bàsic, el que evitaria la unió de molècules a l’ARF-AD. A més, trobem que el plegament del domini de dimerització s’assembla al dels membres de RF. Les característiques dels AD ens van portar a proposar que els ARF constitueixen una nova família de RF i vam encunyar el terme “domini Steward” per referir-nos als dominis combinats similars a RF que es troben en el DD i AD dels ARF. En el capítol 6, vam demostrar que AtARF1-DBD interacciona amb diversos pèptids d’histona, proporcionant un panorama d’interaccions d’AtARF1-DBD amb pèptids derivats d’histones modificades. Els dominis Steward ajudarien als ARF a seleccionar gens en presència d’auxina basant-se en l’estat epigenètic del nucleosoma. Això pot representar la peça que falta en el trencaclosques de la regulació de les ARF. Finalment, en el capítol 7 discutim i resumim tota la informació recopilada en aquest treball i es presenten les direccions i consideracions futures.

Las auxinas son las principales fitohormonas que gobiernan el crecimiento y desarrollo de las plantas, principalmente a través de la vía de las auxinas nucleares, NAP. Los efectores finales en NAP son los factores de respuesta de auxina (ARF). Los ARF se han relacionado con las auxinas durante décadas, pero recientes estructuras del dominio de unión al ADN (ARF-DBD) revelaron una conservación excepcionalmente alta de los puntos de contacto del ADN, por lo que era poco probable que este dominio determinara la especificidad de selección. Esas estructuras sugirieron que la dimerización y el espaciado de los elementos de unión al ADN pueden determinar la especificidad, una hipótesis conocida como “calibres moleculares””. Presentamos en el capítulo 2 la estructura de Marchantia polymorpha ARF2 en complejo con ADN. Nuestros resultados muestran que, a pesar de que Marchantiophyta y Brassicaceae divergieron hace 400 milones de años, la estructura se conserva incluso en los puntos de contacto del ADN. La posición de los subdominios DBD puede determinar la selectividad de espaciado. Los dominios AtARF1 B3 están más distantes, mostrando una preferencia por un mayor espaciado AuxRE en comparación con MpARF2 y AtARF5. La única diferencia en las estructuras está en α1, más larga en AtARF1, que establece más contactos que bloquearían la posición de los subdominios. En el capítulo 3 probamos el efecto de la posición entre subdominios sugerida en el capítulo 2 y también encontramos que los ApoARF pueden hetero/homodimerizar, aunque la principal impulsora de la dimerización es la interacción del ADN. Aunque el calibre molecular puede explicar parcialmente la especificidad del ARF, toda la variabilidad genética desencadenada por las auxinas en organismos complejos requiere de otros selectores de especificidad. Nuestras estructuras también proponen una explicación para la alta afinidad del ADN, donde la inversión de la cadena lateral His136 (numeración AtARF1) permite una interacción de alta afinidad con ciertas secuencias de ADN. Analizamos también el dominio auxiliar de ARF-DBD (ARF-AD), un subdominio sin función previa asignada. El pliegue del ARF-AD está relacionado con los dominios Tudor, un miembro de la “Royal Family” (RF) de lectores de histonas metiladas. El capítulo 4 revisa la clasificación de RF, resumiendo los elementos necesarios para que una proteína forme parte de esta superfamilia. Esta revisión nos permitió analizar si ARF-AD cumple con las características de la familia RF, ya que ARF-AD compartía elementos con múltiples subfamilias RF. En el capítulo 5 demostramos que ARF-AD retiene todos los elementos estructurales para ser un lector de modificación postraduccional de histonas funcional, y que este dominio no está relacionado en secuencia con ninguna otra proteína que no sea ARF o proteínas vegetales. El sitio de unión en los ARF siempre está cubierto por un aminoácido básico, lo que evitaría la unión de moléculas al ARF-AD. Además, encontramos que el pliegue del dominio de dimerización se asemeja al de los miembros de RF. Las características de los AD nos llevaron a proponer que los ARF constituyen una nueva familia de RF y acuñaron el término “dominio Steward”” para referirnos a los dominios combinados similares a RF que se encuentran en el DD y AD de los ARF. En el capítulo 6, demostramos que AtARF1-DBD interactúa con varios péptidos de histona, proporcionando un panorama de interacciones de AtARF1-DBD con péptidos derivados de histonas modificadas. Los dominios Steward ayudarían a los ARF a seleccionar genes en presencia de auxina basándose en el estado epigenético del nucleosoma. Esto puede representar la pieza faltante en el rompecabezas de la regulación de las ARF. Finalmente, en el capítulo 7 discutimos y resumimos toda la información recopilada en este trabajo y se presentan las direcciones y consideraciones futuras.

Auxins are the main phytohormones governing plant growth and development mainly through the Nuclear Auxin Pathway, NAP. The final effectors on NAP are the Auxin Response Factors (ARFs). ARFs has been linked to auxin and gene expression for decades, but the recent crystallographic structures of the DNA Binding Domain (ARF-DBD) of two divergent Arabidopsis thaliana ARFs revealed an exceptionally high conservation of the DNA contact points, so this point was unlikely to determine specificity of gene selection. Those structures suggested that dimerization and proper spacing of DNA binding elements may determine specificity, a hypothesis known as the “Molecular callipers”. We present in chapter 2 the Marchantia polymorpha ARF2 structure in complex of DNA. Our results show that, despite Marchantiophyta and Brassicaceae diverged 400 million years ago, the structure is conserved even in the DNA contacting points. The relative position of the DBD subdomains may determine spacing selectivity, which are different for AtARF1 compared to AtARF5 and MpARF2. AtARF1 B3 domains are more distant, showing a preference for higher AuxRE spacing. The only difference in the structures is in α1, longer in AtARF1, which establishes more contacts that lock the position of the subdomains. In chapter 3 we tested the intersubdomain position suggested in chapter 2 and we also found that ApoARFs can dimerize, but the main driving force is DNA interaction. The dimerization interface is conserved, as ApoARFs heterodimerize even in distantly related ARFs. These elements agree with a gene regulation governed by the molecular calliper model. Although the molecular calliper can partially explain ARF specificity, it cannot explain all the genetic variability triggered by auxins in complex organisms, which may function as an ancestral mechanism of specificity selection while other specificity selectors may be present. Our structures also propose an explanation for high DNA affinity, where His136 (AtARF1 numbering) sidechain flip allows a high affinity interaction with certain DNA sequences. Our structural analysis is also expanded to the Ancillary Domain of ARFs (ARF-AD), a DBD subdomain with no previous function assigned. The fold of the ARF-AD is related to Tudor domains, a member of the Royal Family (RF) of histone methyllysine and methylarginine readers. Chapter 4 reviews the RF classification, summarizing the elements required for a protein to be part of this superfamily. The work presented in chapter 4 allowed us to analyse whether ARF-AD comply with the RF family characteristics, as ARF-AD shared elements with multiple RF subfamilies. We demonstrate in chapter 5 that ARF-AD retains all the structural elements to be a functional Histone posttranslational modification reader, and that this domain is not sequence related with any other protein not being ARFs or plant proteins. The binding cage in ARFs is always covered by a basic amino acid, which would prevent the binding of molecules to the ARF-AD. Furthermore, we found that the “Taco fold” of the Dimerization Domain resembles to the fold of RF members. The characteristics of ADs led us to propose that ARFs constitute a new RF family and coined the term “Steward domain” to refer to the combined RF-like domains found in the DD and AD of the ARFs. In chapter 6, we demonstrate that AtARF1-DBD interacts with several histone peptides, providing a landscape of interactions of AtARF1-DBD with modified Histone-derived peptides. The Steward domains would assist ARFs selecting genes under auxin presence based on the epigenetic status of the nucleosome. This may represent the missing piece in the ARF regulation puzzle. Finally, in chapter 7 we discuss and summarize all the information gathered in this work and future directions and considerations are presented.