Engineering prolyl hydroxylase-dependent proteolysis enables the orthogonal control of hypoxia responses in plants

蛋白质水解 生物 拟南芥 转录因子 细胞生物学 缺氧(环境) 突变体 计算生物学 合成生物学 生物化学 氧气 化学 基因 有机化学
作者
Vinay Shukla,Sergio Iacopino,Laura Dalle Carbonare,Yuehua He,Alessia Del Chiaro,Antonis Papachristodoulou,Beatrice Giuntoli,Francesco Licausi
标识
DOI:10.1101/2024.12.13.628401
摘要

Vascular plants and metazoans use selective proteolysis of transcription factors to control the adaptive responses to hypoxia, although through distinct biochemical mechanisms. The reason for this divergence is puzzling, especially when considering that the molecular components necessary to establish both strategies are conserved across the two kingdoms. To explore an alternative evolutionary scenario where plants sense hypoxia as animals do, we engineered a three-components system aimed to target proteins for degradation in an oxygen dependent manner in Arabidopsis thaliana. Applying the synthetic biology framework, we produced a hypoxia-responsive switch independent of endogenous pathways. When applied to control transcription, the synthetic system partially restored hypoxia responsiveness in oxygen-insensitive mutants. Additionally, we demonstrated its potential to regulate growth under flood-induced hypoxia. Our work highlights the use of synthetic biology to reprogram signalling pathways in plants, providing insights into the evolution of oxygen sensing and offering tools for crop improvement under stress conditions.

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