Charakterisierung essentieller Faktoren des Nukleinsäuremetabolismus von Chloroplasten
Creators: name: Zoschke, Reimo
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2010
Subjects: subject: Chloroplast
subject: Gruppe-II-Intron-Maturase
subject: RNA-Bindeprotein
subject: PPR-Protein
subject: Group II Intron Maturase
subject: RNA Binding Protein
subject: 570 Biowissenschaften, Biologie
subject: 32 Biologie
subject: WG2300

description: Die chloroplastidäre Genexpression ist durch charakteristische posttranskriptionelle Ereignisse, wie RNA-Prozessierung, RNA-Stabilität, RNA-Edierung oder RNA-Spleißen gekennzeichnet. Diese Prozesse werden fast ausnahmslos durch kernkodierte Proteine realisiert. PPR-Proteine (Pentatricopeptid repeat) stellen unter diesen kernkodierten Faktoren die größte Proteinfamilie dar. Das plastidäre Protein P67 gehört zur kleinen Untergruppe der PPR-Proteine mit SMR-Domäne (small MutS-related), deren molekulare Funktion im organellären Nukleinsäuremetabolismus bislang unverstanden ist. P67 zeigt eine nahe Verwandtschaft zu GUN1, einem zentralen Bestandteil retrograder Signalwege. Der hier analysierte P67-Knockout in Mais verursacht hellgrüne Phänotypen, eine drastische Reduktion der plastidären ATPase und Keimlingsletalität, was die essentielle Beteiligung von P67 an den Prozessen der Chloroplastenbiogenese und der Expression der plastidär kodierten ATPase-Untereinheiten vermuten lässt. Mögliche Implikationen eines fehlenden Phänotyps von Mutanten des P67-Orthologs aus Arabidopsis thaliana werden diskutiert. Eine Ausnahmestellung unter den Proteinen des chloroplastidären RNA-Metabolismus nimmt der einzige plastidär kodierte RNA-Reifungsfaktor MatK ein. Die genomische Position des matK-Gens im Intron der trnK-UUU ist in allen grünen Landpflanzen konserviert. MatK ist mit bakteriellen Maturasen verwandt, die spezifisch den Spleißprozess ihres Heimatintrons unterstützen. Dagegen deuten genetische und phylogenetische Studien zusätzliche MatK-Funktionen in trans an. In der vorliegenden Arbeit wird die spezifische Interaktion von MatK mit sieben Gruppe-IIA-Intron enthaltenden Transkripten in vivo gezeigt. Darunter befinden sich vier tRNA-Vorläufer (trnK-UUU mit dem matK-Heimatintron sowie trnV-UAC, trnI-GAU, trnA-UGC) und drei proteinkodierende Vorläufertranskripte (rpl2, rps12, atpF). Die Feinkartierung der MatK-Bindung im trnK-Heimatintron zeigt eine Assoziation mit multiplen Regionen. Organelläre Gruppe-II-Introns gelten als Vorläufer der spleißosomalen Introns. Die Assoziation mit multiplen Gruppe-II-Introns macht MatK somit zu einem interessanten Modell für die Evolution der transaktiven Spleißaktivität im Kern. Analysen der Expression von MatK und seinen Zielen deuten auf ein komplexes Muster möglicher regulativer Interaktionen hin.
description: Chloroplast gene expression is characterized by posttranscriptional events including RNA cleavage, RNA stability, RNA editing, and RNA splicing. The underlying processing machinery is almost exclusively encoded in the nucleus. PPR proteins (pentatricopeptide repeat) form the biggest protein family among these factors and are major players of the aforementioned posttranscriptional processes. The plastidial protein P67 is a member of a small subgroup of PPR proteins with SMR domain (small MutS-related). Molecular functions of this protein family in organellar nucleic acid metabolism are yet unknown. P67 is a close relative of GUN1, an essential component of the chloroplast to nucleus retrograde signalling pathway. It is shown here that a P67 knockout in maize causes pale green phenotypes, a dramatic reduction in ATPase levels, and seedling lethality. This indicates an essential role of P67 for chloroplast biogenesis and expression of the plastid encoded ATPase. The finding that mutants of the P67-orthologe in Arabidopsis lack a phenotype is discussed against the background of physiological differences between maize and Arabidopsis. A special case among proteins involved in plastid RNA metabolism is MatK - the only plastid encoded RNA maturation factor. The genomic position of the matK gene in the trnK-UUU intron is conserved throughout autotrophic land plants. MatK is related to bacterial maturases - highly specific splice factors supporting splice processes of their respective home introns. There is, however, indirect genetic and phylogenetic evidence that MatK acts also in trans as a common plastidial splice factor serving various group II introns. This study shows that MatK interacts specifically with seven group IIA introns in vivo. Among them are four tRNA precursor transcripts (trnK-UUU including the matK home intron as well as trnV-UAC, trnI-GAU, trnA-UGC) and three protein-coding precursors (rpl2, rps12, atpF). Fine mapping of MatK binding sites within the trnK home intron uncovers protein RNA interactions with diverse intron regions. Organellar introns have been suggested as evolutionary ancestors of nuclear spliceosomal introns. Consequently, association of MatK with multiple group II intron ligands makes the plastidial maturase an attractive model for an early trans-acting nuclear splice activity. Analyses of the expression of MatK and its targets revealed a complex pattern of possible regulatory interactions.