Plants have been shown to contains $Ca^{2+}$/calmodulin-stimulated GAD and NAD kinase. To test how calmodulin and calmodulin methylation affect the activation of GAD and NAD kinase, GAD and NAD kinase were partially purified from tobacco plants. GAD was also partially purified from E. coli transformed with a plasmid carrying a cloned tobacco GAD gene. We find that GAD from the transformed E. coli showed 60-fold $Ca^{2+}$/calmodulin-dependent activation. However, GAD from tobacco plants was stimulated only about 3.8-fold by the addition of calmodulin in the presence of calcium, suggesting high background activity of the enzyme was possibly due to bound endogenous tobacco calmodulin. There were no significant differences in the tobacco GAD activator properties between calmodulins. A monoclonal antibody against petunia GAD interacted strongly with both GAD from tobacco plants and GAD from cloned gene. NAD kinase from tobacco plants showed a complete $Ca^{2+}$/calmodulin dependency for activity. Unmethylated calmodulins activated GAD in a manner similar to methylated calmodulin. However, the maximum level of NAD kinase activation obtained with unmethylated calmodulins is approximately 4-fold higher than methylated calmodutins. These data suggested that endogenous tobacco calmodulin may interact more tightly with GAD than NAD kinase and that calmodulin methylation affects the activator properties of calmodulins for tobacco NAD kinase but not for GAD.
In order to understand the biological role of calmodulin in plants, transgenic tobacco plants expressing a calmodulin mutant (VU-4 calmodulin, lys to ile-115) gene have been analyzed. SDS-PAGE and Western-blot analyses showed that the foreign calmodulin mutant is stably and highly expressed in the transgenic tobacco plants. The levels of $H_2O_2$were elevated approximately 2-fold in the transgenic plants. Furthermore, the transgenic tobacco plants have more than 6-fold higher levels of NADPH compared to control tobacco plants. The present findings, combined with previous data showing differences in the susceptibility of the transgenic tobacco seeds and normal tobacco seeds to fungal contamination (Oh and Yang, 1996), suggest that the expression of the calmodulin derivative gene in tobacco plants could increase resistance to infection by fungal pathogens.
신호전달과정의 연구는 calcium이 messenger로서 작용한다고 밝혀진 후로 식물에서 $Ca^{++}$ -messenger system에 대한 생화학적 및 분자생물학적 분야에서의 연구는 급속하게 발전하게 되었다. 식물세포에서 calcium 이온들의 많은 작용은 EF hand family로서 알려진 calcium binding protein에 의해서 조절된다. Calmodulin (CaM)은 highy conserve 되어 있으며, 4개의 calcium binding domain을 가진 ubiquitous한 단백질이다. 본 연구는 calmodulin 유전자의 발현에 미치는 calcium, EGTA, calcium ionophore 및 calmodulin antagonist의 영향과 또한 외부신호(light, wounding), chemical 및 auxin 등의 영향을 reporter화 유전자의 분석에 의해서 CaM유전자의 발현기작을 규명하고자 하였고, 또한 calmodulin 유전자의 organ-specific 발현 및 calmodulin의 새로운 생리적인 기능도 연구하고자 하였다.
To study calmodulin (CaM) gene expression and its regulation, rice CaM promoter (RCaM-2) was isolated and fused to $\beta-glucuronidase$ (GUS), reporter gene. X-Glue staining patterns revealed that GUS localization is high in meristemic tissues such as the stem apex, stolen tip, and vascular regions. GUS staining in the transverse sections of stem and petiole was restricted to the inside of the vascular system, and cortex and epidermis located outside of the vascular system usually did not show GUS staining even a plant that expressed strong activity. GUS activity was found to be tissue specific expressed and exhibited a dramatic transient increase in response to wounding. These results suggest that the 5'-flanking region of RCaM gene regulates wound-inducible expression.
$Ca^{2+}$/calmodulin transduction pathways have been implicated in mediating stress response and tolerance in plants. Here, three genes encoding calmodulin (Cam) members of the EF-hand family of $Ca^{2+}$-binding proteins were identified from Oryza sativa L. databases. Complementary DNA for each of the calmodulin genes, OsCam1, OsCam2, and OsCam3 were sequenced. OsCam1 and OsCam2 encode a conventional 148-amino acid calmodulin protein that contains four characteristic $Ca^{2+}$-binding motifs. OsCam3 encode a similar protein with a 38-amino-acid extension containing a putative prenylation site (CVIL) at the carboxyl terminus. RT-PCR showed that each of the genes is expressed in leaves and roots of 2-week old rice seedlings. By RNA gel blot analysis, OsCam1 mRNA levels strongly increased in response to NaCl, mannitol and wounding treatments. In contrast, OsCam2 mRNA levels were relatively unchanged under all conditions investigated. NaCl treatment and wounding also increased the OsCam3 mRNA level, but in a more transient manner. Our results indicate that although the expression of genes encoding different calmodulin isoforms is ubiquitous, they are differentially regulated by various stress signals. In addition, we have demonstrated that the calcium-channel blocker lanthanum chloride inhibited the induction of OsCam1 gene expression by both NaCl and mannitol treatments. These results suggest that osmotic stress induced expression of OsCam1 gene requires the $[Ca^{2+}]_{cyt}$ elevation that is known to occur in response to these stimuli.
A clone, LCM1, which encodes calmodulin (CaM) was isolated and characterized from monocot lily (Lilium longiflorum Thunb.) plants. The clone is 681 bps and contains the 447 bp coding region, 8 bp leader sequence, 210 bp 3'-untraslated region, and a poly(A) tail. The coding region of 149 amino acids encodes a protein of predicted Mr 17 kD. Comparison of the LCM1 amino acid sequence with other CaMs revealed that the protein is highly conserved among various living organisms. The expression level of calmodulin gene in lily was studied by RNA blot analysis. The LCM1 mRNA was present in all tissues tested. However, a higher level of calmodulin was observed in anther and floral bud. The level of calmodulin mRNA in anther was about 10 times higher than that in anther was about 10 times higher than that in vegetative tissues. The anther preferential expression of CaM in lily is currently investigated in dicot plants.
Calmodulin (CaM) proteins, members of the EF-hand family of $Ca^{2+}$-binding proteins, represent important relays in plant calcium signals. Here, OsCam1-1 was isolated by PCR amplification from the rice genome. The gene contains an ORF of 450 base pairs with a single intron at the same position found in other plant Cam genes. A promoter region with a TATA box at position-26 was predicted and fused to a gus reporter gene, and this construct was used to produce transgenic rice by Agrobacterium-mediated transformation. GUS activity was observed in all organs examined and throughout tissues in cross-sections, but activity was strongest in the vascular bundles of leaves and the vascular cylinders of roots. To examine the properties of OsCaM1-1, the encoding cDNA was expressed in Escherichia coli. The electrophoretic mobility shift when incubated with $Ca^{2+}$ indicates that recombinant OsCaM1-1 is a functional $Ca^{2+}$-binding protein. In addition, OsCaM1-1 bound the CaMKII target peptide confirming its likely functionality as a calmodulin.
Calmodulin, a $Ca^{2+}$-binding protein, has no enzyme activity. It combines with $Ca^{2+}$ and makes variable proteins to an active form. Calmodulin 2 is a ubiquitous protein in plants. To investigate the defense mechanism against various stresses, a clone encoding a calmodulin 2 protein was isolated from a cDNA library prepared from taproot mRNAs of Codonopsis lanceolata. The cDNA, designated CICAM2, is 719 nucleotides long and has an open reading frame of 450 bp with a deduced amino acid sequence of 149 residues. The deduced amino acid sequence of CICAM2 showed a high similarity with calmodulins of P. x hybrida (P27163) 97%, N. tabacum (BAB61908) 97%, S. tuberosum (AAA74405) 96%, Z. mays (CAA74307) 92%, C. richardii (AF510075) 93%, M. truncatula (AAM81203) 91%, and G. max (P62163) 91%. The transcriptional expression of the CICAM2 gene, was gradually increased by the CaCl$_2$ treatment. Whereas its expression And it was gradually decreased in the cold stress treatment.ent.
In order to understand the biological role of calmodulin in plants, transgenic plants expressing a mutant calmodulin (VU-4, Iys to ile-115) have been analyzed. We found that tobacco plants expressing VU-4 calmodulin have approximately twofold higher $\gamma$-aminobutyric acid (GABA) levels than the control plants. Cell suspension cultures established from the stem explants of the transgenic tobacco seedlings also have higher levels of GABA than the control cell cultures. Specific activity of glutamate decarboxylase (GAD), which catalyzes the decarboxylation of glutamate to $CO_2$ and GABA, of the transgenic tobacco cell extracts was about twofold higher than the activity of the control cell extracts. Western-blot analysis showed that the GAD is highly expressed in the transgenic tobacco plants. GAD partially purified from tobacco cell extracts showed approximately threefold $Ca^{2+}$/calmodulin-dependent activation. These data suggest that GABA synthesis in the transgenic tobacco plants is elevated, possibly due to higher levels of the calmodulin-dependent GAD enzyme and/or as a result of enhanced activation due to increased levels of the foreign calmodulin.
Lee, Sung-Ho;Kim, Cha Young;Lim, Chae Oh;Lee, Soo In;Gal, Sang Wan;Choi, Young Ju
Journal of Applied Biological Chemistry
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v.43
no.1
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pp.5-11
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2000
Three cDNA clones encoding rice calmodulin (CaM) isoforms (OsCaM-1, OsCaM-2, and OsCaM-3) were isolated from a rice cDNA library constructed from suspension-cultured rice cells treated with fungal elicitor. The coding regions of OsCaM-1 and O.sCaM-2 were 89% homologous at DNA Ievel, whereas the 5' and 3' untranslated regions were highly divergent. The polypeptides encoded by OsCaM-1 and OsCaM-2 was identical except two conservative substitution at position 8 and 75. The coding region of OsCaM-3 was consist of a typical conserved CaM domain and an additional C-terminal extension. The amino acid sequence of conserved CaM domain of OsCaM-3 shared only 86% identity with that OsCaM-1. The OsCaM-3 cDNA is belongs to a novel group of calmodulin gene due to its C-terminal extension of 38 amino acids, a large number of which are positively charged. The extension also contains a C-terminal CaaX-box prenylation site (CVlL). Genomic Southern analysis revealed at least six copies of CaM or CaM-related genes, suggesting that calmodulin may be represented by a small multigene family in the rice geneme. Expression of OsCaM gene was examined through Northern blot analysis. Transcript level of OsCaM-3 was increased by treatment with a fungal elicitor, whereas the OsCaM-1 and OsCaM-2 genes did not respond to the fungal elicitor. The expression of OsCaM-3 gene was remarkable inhibited in the rice cells treated with cyclosporine A, calcinurin inhibitor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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