Freiburg, Germany
May 29, 2015
The quiescent centre in the root of the rock cress generates signals, thanks to which stem cells remain pluripotent and only certain daughter cells differentiate. Photograph by: Working Group Laux
The roots of a plant are constantly growing, so that they can provide the plant with water and minerals while also giving it a firm anchor in the ground. Responsible for these functions are pluripotent stem cells. In order to avoid differentiation and to remain pluripotent, these stem cells are dependent on signals from their neighbouring cells. These signals are generated by only a small group of slowly dividing cells in the so-called quiescent centre inside the root. An international consortium under the leadership of Prof. Dr. Thomas Laux, a biologist from the University of Freiburg, has identified the transcription factor WUSCHEL HOMEOBOX (WOX) 5 as the signal molecule, showing that it moves through pores from the cells inside the quiescent centre into the stem cells. The team of researchers has published their findings in the professional journal Developmental Cell. “Solving the mechanism by which signals within the root control stem cell activity has implications for the general workings of the stem cell regulation in plants and humans,” Laux said. He also explained that this will allow scientists to study how plant growth adjusts to different environmental conditions, adding that “this is a fascinating field of research in the era of climate change.”
Of all the cells in plants and animals, pluripotent stem cells are the most multi-functional. When they divide, they produce two types of daughter cells: some become new stem cells, while others differentiate to replace tissue or form new organs. To maintain its stem cells, the organism generates the signals that block differentiation inside special stem cell niches. These niches are the only place where stem cells can exist. For blood stem cells, for example, the stem cells reside in the bone marrow.
Laux’s group of researchers had previously discovered the transcription factor WOX5, which is necessary for generating signals, in the cells of the root's quiescent centre. However, what its precise role is has remained unclear until now. Laux’s team studied the stem cells in the model organism of the Arabidopsis plant, or rock cress, which is part of the Brassicaceae family of plants, including mustard and cabbage. Studies have already shown, however, that many of these findings also apply to crops such as rice. When the signal WOX5 enters the stem cells through pores, it binds at specific DNA sequences, the promoters, of target genes and recruits an enzyme via a so-called adaptor protein. This enzyme changes the DNA’s protein shell, the chromatin, causing the respective gene to be no longer effectively readable.
But why does WOX5 switch off its target gene CDF4 in stem cells? Laux’s team of researchers has shown that the CDF4’s function is to initiate the differentiation of the stem cell’s daughter cells. If the concentration of the CDF4 protein would be too high in the stem cells, then the stem cells would also be forced to differentiate and the plant would have to stop root growth. Where the concentration of WOX5 is high enough, the stem cell niche is able to maintain the pluripotent stem cells. Where the concentration of WOX5 is low, the concentration of CDF4 rises and the cells differentiate into root tissue. This balance is the secret to the life-long activity of a stem cell niche.
Laux is the head of a laboratory at the Institute of Biology III and a member of the cluster of excellence BIOSS Centre for Biological Signalling Studies at the University of Freiburg.
Article in the University’s research magazine uni’wissen:
www.pr2.uni-freiburg.de/publikationen/uniwissen/uniwissen-2012-2/#/32
Stammzellschalter auf Wanderschaft - Freiburger Biologen haben gezeigt, wie Signale in Pflanzenwurzeln die Aktivität von Stammzellen bestimmen
Wurzeln wachsen fortwährend, um eine Pflanze mit Wasser und Mineralien zu versorgen und sie fest im Boden zu verankern. Dafür verantwortlich sind pluripotente Stammzellen. Um nicht selbst zu differenzieren und pluripotent zu bleiben, benötigen Stammzellen Signale von den Nachbarzellen. Nur eine kleine Gruppe von sich langsam teilenden Zellen, das so genannte Ruhezentrum der Wurzel, erzeugt diese Signale, die für die Stammzellen lebenswichtig sind. Ein internationales Forschungskonsortium, angeleitet vom Freiburger Biologen Prof. Dr. Thomas Laux, hat gezeigt, dass der Transkriptionsfaktor WUSCHEL HOMEOBOX (WOX) 5 das Signalmolekül ist und durch Poren aus den Zellen des Ruhezentrums in die Stammzellen einwandert. Die Ergebnisse hat das Forschungsteam in der Fachzeitschrift „Developmental Cell“ veröffentlicht. „Die Aufklärung des Mechanismus, mit dem Signale in der Wurzel die Stammzellaktivität bestimmen, lässt Rückschlüsse auf die generellen Mechanismen der Stammzellregulation bei Pflanzen und Menschen zu“, sagt Laux. Sie ermögliche zukünftig zudem, zu untersuchen, wie sich das Pflanzenwachstum an unterschiedliche Umweltbedingungen anpasst. „Ein spannendes Aufgabengebiet in der Zeit des Klimawandels.“
Pluripotente Stammzellen sind die Alleskönner unter den Zellen bei Pflanzen und Tieren. Wenn sie sich teilen, entstehen zwei Arten von Tochterzellen: Einige von ihnen werden zu neuen Stammzellen und einige differenzieren, das heißt, sie ersetzen zum Beispiel Gewebe oder bilden neue Organe. Der Körper erzeugt die Signale, die eine Zelle zur Stammzelle machen, in speziellen Stammzellnischen. Nur dort können Stammzellen bestehen. Für Blutstammzellen ist dieser Ort zum Beispiel das Knochenmark.
Die Arbeitsgruppe von Laux hatte bereits vor einigen Jahren den Transkriptionsfaktor WOX5, der für die Signalherstellung notwendig ist, in den Zellen des Ruhezentrums der Wurzel gefunden. Warum er notwendig ist, war jedoch bislang unklar. Das Team um Laux untersuchte die Stammzellen in der Modellpflanze Arabidopsis, der Ackerschmalwand, die zu den Schaumkressen gehört. Es gibt jedoch bereits Hinweise darauf, dass die Ergebnisse auch in Nutzpflanzen, wie zum Beispiel Reis, gültig sind. Wenn das Signal WOX5 durch Poren in die Stammzellen gelangt ist, bindet es an die Promotoren, eine bestimmte DNA-Sequenz, von Zielgenen und rekrutiert über ein so genanntes Adaptorprotein ein Enzym. Dieses Enzym verändert die Proteinhülle der DNA, das Chromatin, und erreicht dadurch, dass das entsprechende Gen nicht mehr effektiv abgelesen werden kann.
Doch warum schaltet WOX5 das Zielgen CDF4 in den Stammzellen ab? Die Forschenden um Laux zeigten, dass die Funktion von CDF4 darin liegt, die Differenzierung der dafür vorgesehenen Tochterzellen der Stammzellen einzuleiten. Wenn die Menge des CDF4-Proteins in den Stammzellen zu hoch wäre, würden diese selbst zur Differenzierung gezwungen und die Pflanze müsste das Wurzelwachstum einstellen. Dort, wo die Konzentration von WOX5 hoch genug ist, gelingt es der Stammzellnische, pluripotente Stammzellen zu erhalten. An Stellen, wo die Konzentration von WOX5 niedrig ist, steigt die Konzentration von CDF4 und die Zellen differenzieren zu Wurzelgewebe. Diese Balance ist das Geheimnis der lebenslangen Aktivität einer Stammzellnische.
Laux ist Laborleiter am Institut für Biologie III und Mitglied des Exzellenzclusters BIOSS Centre for Biological Signalling Studies der Universität Freiburg.
Artikel im Forschungsmagazin uni’wissen (2012):
www.pr2.uni-freiburg.de/publikationen/uniwissen/uniwissen-2012-2/#/32
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