Novel transcription factors in higher plant plastids
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Chloroplasten sind pflanzenspezifische Zellorganellen, in denen die Photosynthese und andere wichtige Biosynthesen stattfinden. Chloroplasten sind endosymbiotischen Ursprungs und leiten sich evolutionär von den Vorläufern der heutigen Cyanobakterien ab. Ein Überbleibsel dieses prokaryotischen Ursprungs ist das Chloroplasten-eigene Genom, das Plastom. Es enthält rund 120 Gene, die im Wesentlichen für Komponenten des Photosynthese-Apparates und für Teile einer Chloroplasten-spezifischen Genexpressionsmaschinerie kodieren. Zu letzterer gehört auch eine bakterien-ähnliche RNA-Polymerase, die durch die plastidären rpo-Gene kodiert wird. Dieses Enzym interagiert mit kernkodierten Sigma-Faktoren, die für die Promotorerkennung essentiell sind. Interessanterweise finden sich im Plastom auch eukaryotische Elemente wie z.B. Introns oder TATA-Boxen. Zudem implizierten verschiedene biochemische und bioinformatische Analysen, dass die Expression des Plastoms auch durch Transkriptionsfaktoren eukaryotischen Ursprungs gesteuert werden könnte. Dieses Projekt beschäftigte sich mit dem Nachweis und der strukturellen und funktionellen Charakterisierung von potentiellen eukaryotischen Faktoren in der plastidären Transkription. In einem biochemischen Ansatz wurde dazu das Nukleinsäuren-bindende Subproteom von Chloroplasten aus Sinapis alba angereichert und über massenspektrometrische Methoden auf die enthaltenen Proteine untersucht. Über diesen Ansatz gelang die erstmalige vollständige Erstellung eines Untereinheitenkatalogs der plastidär-kodierten RNA-Polymerase. Neben den erwarteten RPO-Untereinheiten konnten 10 verschiedene weitere Faktoren identifiziert werden, die alle im Zellkern kodiert werden und eukaryotischen Ursprungs sind. Verlust durch genetische Inaktivierung verursacht in allen Fällen einen Albino-Phänotyp der entsprechenden Arabidopsis-Mutante. Basierend auf den eigene Daten und den publizierten Arbeiten anderer Gruppen konnte ein neues Modell für die initialen Prozesse der frühen Chloroplasten-Biogenese aufgestellt werden. Kern dieses Modells ist die Expression der Polymerase-assozierten Faktoren (PAPs) als essentieller Schritt für den Übergang von nicht-photosynthetischen Plastiden zu Chloroplasten. Unsere bioinformatischen Analysen zeigen, dass die pap-Gene ein Regulon formen, das durch Licht induziert wird. Strukturelle Analysen zeigen zudem, dass die Hälfte der pap-Gene neben einer plastidären Transitsequenz auch eine nukleäre Lokalisationssequenz besitzen. Das Protein PAP5/PTAC12/HEMERA wurde in Mais näher untersucht. Es zeigte die vorhergesagte duale Lokalisation in Zellkern und Plastiden. In Plastiden hat es eine Interaktionsaktivität mit einzelsträngigen Nukleinsäuren. Damit unterscheidet es sich von der nukleär lokalisierten Version, für die in Arabidopsis eine Funktion in Phytochrom-vermittelten Signalwegen postuliert wird. Der Einfluss der gestörten Chloroplasten-Biogenese auf die nukleären Genexpression wurde in der pap7-Inaktivierungsmutante von Arabidopsis untersucht. Durch einen trilateralen Vergleich mit Wildtyp-Pflanzen, die in Licht und Dunkel angezogen wurden, konnte dabei die Chloroplasten-Biogenese von den Prozessen der Photomorphogenese separiert werden. Durch differentielles Expressionsprofiling konnten dabei neue Genmodule definiert werden, die jeweils Licht-regulierte und Plastiden-regulierte Gene enthalten. Unsere Analysen zeigen einen weitreichenden Einfluss von Plastiden auf die Expression nukleär kodierter Metabolismus-Gene, während Photosynthese-Gene unerwartet deutlich durch Licht reguliert werden. Das Projekt hat insgesamt neue und unerwartete Einblicke in die frühen Prozesse der Chloroplasten-Biogenese geliefert und mit der Identifizierung der PAPs neue Faktoren offengelegt, deren detaillierte Analyse neue Wege zum besseren Verständnis der Bildung und Regulation von Plastiden ermöglicht. Dieses Wissen kann dazu beitragen, Pflanzen für eine verbesserte Agrarproduktion zu entwickeln.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2010) Analysis of oligomeric protein complexes in the chloroplast sub-proteome of nucleic acid-binding proteins from mustard reveals potential redox regulators of plastid gene expression. Proteomics. 10: 2191-204.Erratum in: Proteomics. (2010),10: 2887
Schröter Y, Steiner S, Matthäi K, Pfannschmidt T
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pmic.200900678) - (2011) Identification of the essential subunits in the plastid-encoded RNA polymerase complex reveals building-blocks for proper chloroplast development. Plant Phys. 157, 1043-1055
Steiner, S., Schröter, Y., Pfalz, J. and Pfannschmidt, T.
- (2013) Essential nucleoid proteins in early chloroplast development. Trends Plant Sci. 18:186-194
Pfalz J, Pfannschmidt T
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.tplants.2012.11.003) - (2014) A purification strategy for analysis of the DNA/RNA-associated sub-proteome from chloroplasts of mustard cotyledons. Front Plant Sci. 2014 Oct 29;5:557
Schröter Y, Steiner S, Weisheit W, Mittag M, Pfannschmidt T
(Siehe online unter https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00557) - (2015) Chloroplast biogenesis in terrestrial plants and the orchestrated action of RNA polymerases from three different evolutionary classes. J. Exp. Bot. 66: 6957-6973
Pfannschmidt, T., Blanvillain, R., Courtois, F., Merendino, L., Chevalier, F., Liebers, M., Grübler, B., Hommel, E., Lerbs-Mache, S.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1093/jxb/erv415) - (2015) ZmpTAC12 binds single-stranded nucleic acids and is essential for accumulation of the plastid-encoded polymerase complex in maize. New Phytol. 206:1024-37. Erratum in: New Phytol. 2016 Jan;209(2):886
Pfalz J, Holtzegel U, Barkan A, Weisheit W, Mittag M, Pfannschmidt T
(Siehe online unter https://doi.org/10.1111/nph.13248)
