Der Katabolismus nicht-kanonischer Nukleoside aus RNA-Abbau in Pflanzen

• Antragsteller: Professor Dr. Claus-Peter Witte, seit 1/2020
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen ; Pflanzenphysiologie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416961553

Die verschiedenen RNA-Typen enthalten über 100 chemische Modifikationen der Nukleobasen. Bei mRNA beeinflussen die RNA-Modifikationen zum Beispiel das Prä-mRNA-Splicen, die Stabilität von Transkripten und die Translation. Beim Abbau der RNA werden modifizierte Nukleoside zusammen mit den kanonischen Nukleosiden freigesetzt. Für die Metabolisierung kanonischer Nukleoside haben Zellen Abbau- und Recycling-Stoffwechselwege, jedoch ist unklar, was mit den modifizierten Nukleosiden geschieht. Vor kurzem konnten wir ein Enzym identifizieren (MAPDA), welches N6-mAMP aus RNA-Abbau zu Inosin-Monophosphat deaminiert. Die Mutation des entsprechenden Gens in Pflanzen und in Säugerzellen führt zur Akkumulation von N6-Methyladenosine, N6-mAMP und N6-mATP in vivo. Es ist möglich, dass MAPDA und andere molekulare Filter die Akkumulation von modifizierten Nukleotiden verhindern, um ihre unkontrollierte Wiederverwendung für die Nukleinsäurebiosynthese zu vermeiden. MAPDA entfernt N6-mAMP, aber was geschieht im Stoffwechsel mit all den anderen modifizierten Nukleosiden / Nukleotiden? Dies ist die Hauptfrage dieses Forschungsantrages. Wir haben vor, mehrere katabole Stoffwechselwege für modifizierte Nukleoside in Arabidopsis aufzuklären, einschließlich der Wege für Pseudouridin und 5-Methylcytidin. Unsere vorläufigen Daten zeigen, dass Pflanzen zwei peroxisomale Enzyme für den Abbau von Pseudouridin benötigen. Die metabolischen und phänotypischen Konsequenzen der Mutation dieses Stoffwechselweges sowie seiner zytosolischen Mislokalisation sollen in Arabidopsis thaliana untersucht werden. Vorläufige Daten zeigen, dass ein Defekt im Pseudouridin-Abbau zu Verzögerung des Keimlingswachstums und zu reduzierter Samenproduktion führt. Im Bezug auf 5-Methylcytidin und 5-Methyluridin haben wir Hinweise, dass diese durch den kanonischen Pyrimidin-Abbauweg katabolisiert werden. Der Abbau dieser beiden Nukleoside soll im Detail untersucht werden, und darüber hinaus soll der metabolischen Verbleib und Katabolismus anderer modifizierter Purine und Pyrimidine aufgeklärt werden. Hierzu sollen Nukleosid / Nukleobase Profile in verschiedenen Mutanten untersucht werden. Techniken sollen etabliert werden, um systematisch ein breites Spektrum von modifizierten Nukleosiden aus Arabidopsis mittels Massenspektrometrie zu quantifizieren. Zusammenfassend werden diese Forschungsarbeiten einen bisher wenig beachteten Aspekt in der Forschung zu RNA-Modifikationen näher beleuchten: Umfangreiche post-transkriptionelle Modifikation von RNA erfordert nicht nur eine präzise Positionierung und Erhaltung der Modifikationen, sondern auch dass katabole Stoffwechselwege dafür sorgen, dass modifizierte Nukleoside aus dem RNA-Abbau nicht akkumulieren, um deren Salvage und möglichen zufallsmäßigen Wiedereinbau in neue RNA zu verhindern. In diesem Zusammenhang soll untersucht werden, welche molekularen und phänotypischen Konsequenzen eine Blockierung solcher kataboler Stoffwechselwege haben kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Mingjia Chen, Ph.D., bis 1/2020