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Plant membrane receptor kinase complexes and their connection to cytoplasmic signaling cascades

English title Plant membrane receptor kinase complexes and their connection to cytoplasmic signaling cascades
Applicant Hothorn Michael
Number 176237
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Département de Biologie Végétale Faculté des Sciences Université de Genève
Institution of higher education University of Geneva - GE
Main discipline Botany
Start/End 01.10.2017 - 30.09.2021
Approved amount 1'112'000.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Botany
Biochemistry

Keywords (8)

arabidopsis genetics; Peptide signaling; Signal transduction; Protein crystallography; plant development; Brassinosteroid signaling; plant biochemistry; Receptor kinase

Lay Summary (German)

Lead
Pflanzen besitzen genau wie Tiere Hormone, welche das Wachstum und die Entwicklung des Organismus steuern und koordinieren. Diese Hormone werden an der Zelloberfläche erkannt und steuern die Genexpression im Zellkern. Das vorliegende Projekt versucht zu verstehen, wie verschiedene Hormone von der Zelle erkannt werden und wie die Signalleitung von der Zelloberfläche bis in den Zellkern funktioniert.
Lay summary

Mehrzellige Lebewesen koordinieren die Teilung und das Wachstum ihrer Zellen um zu wachsen und um verschiedene Gewebe und Organe zu bilden. Pflanzen benutzen ähnlich wie Tiere kleine Signalmoleküle (Hormone), die von einigen Zellen ausgeschieden werden und von anderen Zellen erkannt werden. In Pflanzen werden Hormone von bestimmten Rezeptoren an der Zelloberfläche gebunden. Der Rezeptor kann nach der Erkennung des Hormons ein Signal innerhalb der Zelle erzeugen, welches in den Kern wandern muss um dort ein bestimmtes genetisches Programm anzuschalten. Unser Projekt versucht zu verstehen, wie verschiedene Hormone von ihren Rezeptoren erkannt werden und wie das Erkennungssignal von der Zelloberfläche in den Zellkern transportiert wird. Dazu bilden mehrere Eiweißmoleküle eine Signalkette in der Informationen von einem Eiweiß zum nächsten weitergegeben werden. Wir möchten verstehen, wie diese Informationen kodiert sind und auf wie sie sich in der Zelle bewegen.

Unser Projekt ist Grundlagenforschung in der Pflanzenbiologie. Ein genaues Verständnis pflanzlicher Signalleitung könnte jedoch genutzt werden, das Wachstum und die Entwicklung von Nutzpflanzen gezielt zu beeinflussen.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.09.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
170925 Discovery and mechanistic dissection of novel signaling pathways controlling phosphate homeostasis in eukaryotes 01.01.2017 Sinergia

Abstract

Plant as multicellular organisms require to tightly control the division, expansion and differentiation of cells within tissues and organs in order to orchestrate their growth and development. Just like animals, plants have evolved diffusible small molecule, peptide and protein ligands to achieve this goal. These molecules are sensed by plant-unique membrane receptor kinases (RKs). Plant RKs contain different extracellular ligand-binding domains, a single membrane-spanning helix and a cytoplasmic kinase domain. We have previously shown how plant RKs with leucine-rich repeat (LRR) ectodomains can specifically sense steroid and peptide ligands and we have demonstrated that different LRR-RKs require shape-complementary co-receptors for high-affinity ligand sensing and receptor activation. Using the plant brassinosteroid signaling pathway as a model system, we now propose to dissect in genetic and mechanistic detail (sub-project A):(1) how additional membrane proteins can modulate the signaling capacity of LRR-RK - co-receptor complexes (formation of higher-order signaling complexes).(2) how ligand induced interaction of receptor and co-receptor at the cell surface leads to activation of the cytoplasmic kinase domain of the receptor and to phosphorylation of down-stream components (early cytoplasmic signaling events).(3) how activation of the cytoplasmic kinase domain leads to the activation of gene expression (mechanism of the cytoplasmic signaling cascade).In addition, we want to understand the functions of plant RKs with different ectodomains (non-LRR) in plant growth and development. Specifically, we propose (sub-project B):(1) to uncover the molecular architecture of CRINKLY-type RKs (CRINKLY structure).(2) to identify and characterize CRINKLY-family ligands and define the receptor activation mechanism (CRINKLY ligands & activation).(3) to define down-stream signaling components for CRINKLY-receptors (CRINKLY cytoplasmic signaling).To achieve these goals, we will combine quantitative biochemistry and X-ray protein crystallography in vitro, with plant biochemistry and genetics in vivo. This will allow us to dissect from the physiological all the way to the mechanistic level, how different membrane signaling proteins with key roles in growth and development translate the binding of specific ligands at the cell surface into gene expression changes in the nucleus. Our work may uncover novel signaling paradigms in plants and may suggest new ways to modulate plant growth and development in the lab, and perhaps, in the field.
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