Untersuchung der Funktion von PAM71, PAM71L und AtCGL20 bei der Biogenese und Funktionalität von Photosystem II und der NAD(P)H Dehydrogenase

• Antragsteller: Professor Dr. Dario Leister
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 197471519

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Protein CONSERVED ONLY IN THE GREEN LINEAGE20 (CGL20) aus Arabidopsis thaliana (AtCGL20) ist ein kleines Prolin-reiches Protein (∼10-kD), das sowohl in Chloroplasten als auch Mitochondrien lokalisiert ist. AtCGL20 erregte unsere Aufmerksamkeit, weil es von zwei segmental duplizierten Genen kodiert wird und seine Funktion nur durch die Untersuchung entsprechender Doppelmutanten untersucht werden kann. Die atcg20ab Doppelmutante zeigte einen klaren Pigmentierungs- und Wuchsphänotyp. Daher haben wir die Photosynthese und Thylakoidzusammensetzung der Doppelmutante in Vorarbeiten untersucht und fanden einen Defekt im NDH Komplex. Des Weiteren zeigen die AtCGL20 Gene ein mRNA Expressionsprofil, das auf eine Funktion bei der chloroplastidären Genexpression hinweist. Die weiterführenden Untersuchungen im Verlaufe des Projekts haben aber klar gezeigt, dass der Defekt bezüglich des NDH Komplexes ein sekundärer Effekt der Abwesenheit des AtCGL20 Proteins darstellt. Vielmehr ist AtCGL20 an der Biogenese des chloropastidären Ribosoms beteiligt. So ist das Wachstum der Doppelmutante gerade bei niedrigen Temperaturen beeinträchtigt, was typisch für viele Ribosomenmutanten ist. Des Weiteren ist das chloroplastidäre Proteom, der Pigmentgehalt der Thylakoide und die Photosynthese deutlich verändert, wenn AtCGL20 nicht vorhanden ist. Bezüglich der Photosynthese zeigt die atcgl20ab Doppelmutante einen Phänotyp, der dem von anderen Cytochrom b6f Mutanten ähnelt, aber zusätzlich noch eine Beeinträchtigung von PSII und dem NDH Komplex beinhaltet. Diese photosynthetischen Beeinträchtigungen ergeben sich aus der verminderten Bildung von Cyt b6f und NDH Komplexen. Ohne AtCGL20 ist die Menge vieler Plastom-kodierten Proteine größtenteils reduziert was auf einen Translationsdefekt hinweist. Tatsächlich ist die de-novo Proteinsynthese reduziert. Die Polysomenbeladung von plastidären mRNAs und die Expression plastidärer rRNAs (rrn5, 16 und 23) war nicht gestört, wohl aber die Reifung der 23S rRNA, was sich in der Anhäufung nicht-prozessierter 23S RNA manifestierte. Daher konnte gefolgert werden, dass die Biogenese der 50S Untereinheit des chloroplastidären Ribosoms gestört ist mit Auswirkungen auf den Elongationsschritt bei der Translation. Als Konsequenz der gestörten 23S RNA Biogenese wurden einige Untereinheiten der 50S Untereinheit sogar vermehrt gebildet. Eine Bindung von AtCGL20 an das chloroplastidäre Ribosom konnte durch Komigrationsanalysesn in Saccharose-Gradienten gezeigt werden und die Interaktionen zwischen AtCGL20 und dem plastidären Ribosom, insbesondere der 50S Untereinheit, war unabhängig von der Anwesenheit von rRNA. Dieses wiederum suggeriert eine Interaktion während späterer Assemblierungsschritte, wenn die rRNA weniger leicht zugänglich ist.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2018) Chlorophyll fluorescence video imaging: a versatile tool for identifying factors related to photosynthesis. Front Plant Sci 9: 55
  Rühle T, Reiter B, Leister D
  
• (2020) The Arabidopsis protein CGL20 is required for plastid 50S ribosome biogenesis. Plant Physiol 182: 1222-1238
  Reiter B, Vamvaka E, Marino G, Kleine T, Jahns P, Bolle C, Leister D, Rühle T