MADS-box

De MADS-box is een geconserveerd sequentiemotief. De genen die dit motief bevatten, worden de MADS-box-genenfamilie genoemd.[1] De MADS-box codeert voor het DNA-bindende MADS-domein. Het MADS-domein bindt aan nucleotidesequenties die sterk lijken op het motief CC[A/T]6GG, de CArG-box genoemd.[2] MADS-domein eiwitten zijn over het algemeen transcriptiefactoren.[2][3] De meeste MADS-box-eiwitten zijn betrokken bij ontwikkelingsprocessen, zoals de ontwikkeling van bloeiwijze (zie topmeristeem) van bedektzadigen. De naam 'Box' verwijst naar een deel van de genen dat codeert voor de eiwitten die in de loop van de evolutie niet is veranderd; dienovereenkomstig is een deel van de primaire structuur in al deze eiwitten hetzelfde. Dit is tevens het eiwitdomein dat cruciaal is voor de functie van de eiwitten. De lengte van de MADS-box, gerapporteerd door verschillende onderzoekers, varieert enigszins, maar typische lengtes liggen tussen de 168 en 180 basenparen, dat wil zeggen dat het gecodeerde MADS-domein een lengte heeft van 56 tot 60 aminozuren.[4][5][6][7] Er zijn aanwijzingen dat het MADS-domein is geëvolueerd uit een sequentiestuk van een topo-isomerase II in een gemeenschappelijke voorouder van alle bestaande eukaryoten.[8]

MADS is het acronym dat gevormd wordt door de eerste letters van de genen waarin het sequentie-element voor het eerst werd gevonden:[1]

  • MCM1 in biergist, Saccharomyces cerevisiae,
  • AGAMOUS in de zandraket, Arabidopsis thaliana,
  • DEFICIENS bij de grote leeuwenbek, Antirrhinum majus,[9]
  • SRF bij de mens, Homo sapiens.

In zandraket, grote leeuwenbek en Maïs is dit MADS-box-motief betrokken bij de bloemontwikkeling. Vroege studie van deze model-angiospermen was het begin van onderzoek naar de moleculaire evolutie van de bloemstructuur in het algemeen, evenals hun rol in niet-bloeiende planten.[10]

Het MADS-eiwit dat feitelijk als eerste werd gevonden, is echter ARG80 uit bakkersgist, maar werd op dat moment niet herkend als lid van een grote genenfamilie.[11]

Functie van MADS-box-genen

MADS-boxgenen hebben een aanzienlijke verspreiding in planten. Ze zijn onder meer te vinden in homeohomeotische plantengenen (zoals AGAMOUS en DEFICIENS), die betrokken zijn bij de ontwikkeling van plantenorganen: de ontwikkeling van mannelijke en vrouwelijke gametofyten, de ontwikkeling van embryo's en zaden, evenals de ontwikkeling van wortels, bloemen en vruchten.[12][13] Een voorbeeld hiervan is de bepaling van de bloemorganen (zie: ABC-model van bloemontwikkeling). Sommige MADS-box-genen van bloeiende planten hebben homeotische functies, zoals de Hoxgenen van dieren. Bij dieren zijn MADS-box-genen betrokken bij spierontwikkeling en proliferatie en differentiatie. Functies bij schimmels variëren van feromoonreactie tot argininemetabolisme.[14]

Er is aangetoond dat de MADS-boxgenen SOC1[15] en FLC (Flowering Locus C)[16] in zandraket een belangrijke rol spelen bij het bepalen van het tijdstip van de bloei en het op het juiste tijdstip generatief worden van de plant, waardoor reproductief succes het meest waarschijnlijk is. Het generatief worden hangt onder meer af van de daglengte (korte- en langedagplanten) of de hoeveelheid kou (vernalisatie).

Structuur van MADS-box-eiwitten

De MADS-box-eiwitstructuur wordt gekenmerkt door vier domeinen. Aan de N-terminus bevindt zich het sterk geconserveerde MADS DNA-bindende domein.[17] Naast het MADS-domein bevinden zich de matig geconserveerde tussenliggende (I) en keratine-achtige (K) domeinen, die betrokken zijn bij specifieke eiwit-eiwitinteracties.[17] Het C-terminus (C) domein is zeer variabel en is betrokken bij transcriptionele activering en het vormen van heterodimeren en multimere eiwitcomplexen.[18]

Diversiteit

MADS-box-genen komen in bijna alle onderzochte eukaryoten voor.[8] Terwijl de genomen van dieren en schimmels over het algemeen slechts ongeveer één tot vijf MADS-box-genen bezitten, hebben de genomen van bedektzadigen ongeveer 100 MADS-box-genen.[12][13] Er worden twee soorten MADS-domeineiwitten onderscheiden; de SRF-achtige of Type I MADS-domein eiwitten en de MEF2-achtige (na MYOCYTE-ENHANCER-FACTOR2) of Type II MADS-domein eiwitten.[8][13] SRF-achtige MADS-domein eiwitten in dieren en schimmels hebben een tweede geconserveerd domein, het SAM (SRF, ARG80, MCM1) domein.[14] MEF2-achtige MADS-domeineiwitten in dieren en schimmels hebben het MEF2-domein als tweede geconserveerd domein.[14] In planten worden de MEF2-achtige MADS-domein eiwitten ook wel MIKC-type eiwitten genoemd, verwijzend naar hun geconserveerde domeinstructuur, waarbij het MADS (M) domein wordt gevolgd door een tussenliggende (I), een keratine-achtige (K) en een C-terminaal domein.[12] In planten vormen MADS-domeineiwitten tetrameren en er wordt aangenomen dat dit cruciaal is voor hun functie.[19][20] De structuur van het tetramerisatiedomein van het MADS-domeineiwit SEPALLATA3 werd opgelost, wat de structurele basis voor de vorming van een tetrameer illustreert.[21]

Een geneticus die intensief onderzoek doet naar MADS-box-genen is Günter Theißen van de Friedrich-Schiller-Universität Jena. Hij en zijn collega's hebben deze genen bijvoorbeeld gebruikt om aan te tonen dat de orde Gnetales nauwer verwant is aan de coniferen dan aan de bedektzadigen.[22]

In Zea mays produceert de mutant Tunicate1 popcorn. Tunicate1 is een mutant van Z. mays MADS19 (ZMM19) in de SHORT VEGETATIVE PHASE-genenfamilie. ZMM19 kan ectopisch tot expressie worden gebracht. Een dergelijke ectopische expressie van ZMM19 in zandraket vergroot de kelkbladen, wat duidt op een geconserveerde sequentie.[23]

Bronnen, noten en/of referenties
  1. ↑ a b Schwarz-Sommer Z, Huijser P, Nacken W, Saedler H, Sommer H (November 1990). Genetic Control of Flower Development by Homeotic Genes in Antirrhinum majus. Science 250 (4983): 931–6. PMID 17746916. DOI: 10.1126/science.250.4983.931.
  2. ↑ a b West AG, Shore P, Sharrocks AD (May 1997). DNA binding by MADS-box transcription factors: a molecular mechanism for differential DNA bending. Molecular and Cellular Biology 17 (5): 2876–87. PMID 9111360. PMC 232140. DOI: 10.1128/MCB.17.5.2876.
  3. ↑ Svensson, Mats (2000). Evolution of a family of plant genes with regulatory functions in development; studies on Picea abies and Lycopodium annotinum. Uppsala University, Teknisk-naturvetenskapliga vetenskapsområdet, Biology, Department of Evolutionary Biology. ISBN 978-91-554-4826-4. Geraadpleegd op 30 juli 2007.
  4. ↑ Ma K, Chan JK, Zhu G, Wu Z (May 2005). Myocyte enhancer factor 2 acetylation by p300 enhances its DNA binding activity, transcriptional activity, and myogenic differentiation. Molecular and Cellular Biology 25 (9): 3575–82. PMID 15831463. PMC 1084296. DOI: 10.1128/MCB.25.9.3575-3582.2005.
  5. ↑ Lamb RS, Irish VF (May 2003). Functional divergence within the APETALA3/PISTILLATA floral homeotic gene lineages. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 100 (11): 6558–63. PMID 12746493. PMC 164485. DOI: 10.1073/pnas.0631708100.
  6. ↑ Nam J, dePamphilis CW, Ma H, Nei M (September 2003). Antiquity and evolution of the MADS-box gene family controlling flower development in plants. Molecular Biology and Evolution 20 (9): 1435–47. PMID 12777513. DOI: 10.1093/molbev/msg152.
  7. ↑ Lü S, Du X, Lu W, Chong K, Meng Z (2007). Two AGAMOUS-like MADS-box genes from Taihangia rupestris (Rosaceae) reveal independent trajectories in the evolution of class C and class D floral homeotic functions. Evolution & Development 9 (1): 92–104. PMID 17227369. DOI: 10.1111/j.1525-142X.2006.00140.x.
  8. ↑ a b c Gramzow L, Ritz MS, Theissen G (April 2010). On the origin of MADS-domain transcription factors. Trends in Genetics 26 (4): 149–53. PMID 20219261. DOI: 10.1016/j.tig.2010.01.004.
  9. ↑ Sommer H, Beltrán JP, Huijser P, Pape H, Lönnig WE, Saedler H, Schwarz-Sommer Z (March 1990). Deficiens, a homeotic gene involved in the control of flower morphogenesis in Antirrhinum majus: the protein shows homology to transcription factors. The EMBO Journal 9 (3): 605–13. PMID 1968830. PMC 551713. DOI: 10.1002/j.1460-2075.1990.tb08152.x.
  10. ↑ Friedman, William E., Moore, Richard C., Purugganan, Michael D. (2004). The evolution of plant development. American Journal of Botany 91 (10): 1726–1741 (Botanical Society of America (Wiley)). ISSN: 0002-9122. PMID 21652320. DOI: 10.3732/ajb.91.10.1726.
  11. ↑ Dubois E, Bercy J, Descamps F, Messenguy F (1987). Characterization of two new genes essential for vegetative growth in Saccharomyces cerevisiae: nucleotide sequence determination and chromosome mapping. Gene 55 (2–3): 265–275. PMID 3311883. DOI: 10.1016/0378-1119(87)90286-1.
  12. ↑ a b c Becker A, Theissen G (December 2003). The major clades of MADS-box genes and their role in the development and evolution of flowering plants. Molecular Phylogenetics and Evolution 29 (3): 464–89. PMID 14615187. DOI: 10.1016/S1055-7903(03)00207-0.
  13. ↑ a b c Gramzow L, Theissen G (2010). A hitchhiker's guide to the MADS world of plants. Genome Biology 11 (6): 214. PMID 20587009. PMC 2911102. DOI: 10.1186/gb-2010-11-6-214.
  14. ↑ a b c Shore P, Sharrocks AD (April 1995). The MADS-box family of transcription factors. European Journal of Biochemistry 229 (1): 1–13. PMID 7744019. DOI: 10.1111/j.1432-1033.1995.0001l.x.
  15. ↑ Onouchi H, Igeño MI, Périlleux C, Graves K, Coupland G (June 2000). Mutagenesis of plants overexpressing CONSTANS demonstrates novel interactions among Arabidopsis flowering-time genes. The Plant Cell 12 (6): 885–900. PMID 10852935. PMC 149091. DOI: 10.1105/tpc.12.6.885.
  16. ↑ (May 1999). FLOWERING LOCUS C encodes a novel MADS domain protein that acts as a repressor of flowering. The Plant Cell 11 (5): 949–56. PMID 10330478. PMC 144226. DOI: 10.1105/tpc.11.5.949.
  17. ↑ a b Jack, Thomas (2004). Molecular and genetic mechanisms of floral control. The Plant Cell 16 Suppl (Suppl): S1–S17. ISSN: 1040-4651. PMID 15020744. PMC 2643400. DOI: 10.1105/tpc.017038.
  18. ↑ Riechmann, Jose Luis, Meyerowitz, Elliot M. (1997). MADS Domain Proteins in Plant Development. Biological Chemistry 378 (10): 1079–1101. ISSN: 1431-6730. PMID 9372178.
  19. ↑ Theissen G, Saedler H (January 2001). Plant biology. Floral quartets. Nature 409 (6819): 469–71. PMID 11206529. DOI: 10.1038/35054172.
  20. ↑ (en) Smaczniak C, Immink RG, Muiño JM, Blanvillain R, Busscher M, Busscher-Lange J, Dinh QD, Liu S, Westphal AH, Boeren S, Parcy F, Xu L, Carles CC, Angenent GC, Kaufmann K (January 2012). Characterization of MADS-domain transcription factor complexes in Arabidopsis flower development. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 109 (5): 1560–5. PMID 22238427. PMC 3277181. DOI: 10.1073/pnas.1112871109.
  21. ↑ Puranik S, Acajjaoui S, Conn S, Costa L, Conn V, Vial A, Marcellin R, Melzer R, Brown E, Hart D, Theißen G, Silva CS, Parcy F, Dumas R, Nanao M, Zubieta C (September 2014). Structural basis for the oligomerization of the MADS domain transcription factor SEPALLATA3 in Arabidopsis. The Plant Cell 26 (9): 3603–15. PMID 25228343. PMC 4213154. DOI: 10.1105/tpc.114.127910.
  22. ↑ Winter KU, Becker A, Münster T, Kim JT, Saedler H, Theissen G (June 1999). MADS-box genes reveal that gnetophytes are more closely related to conifers than to flowering plants. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 96 (13): 7342–7. PMID 10377416. PMC 22087. DOI: 10.1073/pnas.96.13.7342.
  23. ↑ Adamski, Nikolai M, Simmonds, James (ORCID), Brinton, Jemima F (ORCID), Backhaus, Anna E (ORCID), Chen, Yi (ORCID) (1 mei 2021). Ectopic expression of Triticum polonicum VRT-A2 underlies elongated glumes and grains in hexaploid wheat in a dosage-dependent manner. The Plant Cell 33 (7): 2296–2319 (American Society of Plant Biologists (OUP)). ISSN: 1532-298X. PMID 34009390. PMC 8364232. DOI: 10.1093/plcell/koab119.