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

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ribonukleinsäuren (RNA) enthalten neben den vier kanonischen Nukleosiden Adenosin (A), Guanosin (G), Cytidin (C) und Uridin (U) noch mehrere chemisch modifizierte Nukleoside, zum Beispiel N6-Methyl-Adenosin (m6A), Pseudouridine (Ψ), 5-Methyl-Cytidin (m5C) und 5- Methyl-Uridine (m5U). Diese spielen eine Rolle für die Stabilität und Regulation der RNA. Beim Abbau von RNA werden modifizierte Nukleotide (monophosphorylierte Nukleoside) und Nukleoside frei, deren metabolischer Verbleib ungeklärt ist. Wie werden diese abgebaut und Bausteine eventuell wiederverwertet? Dies waren die übergeordnete Fragen dieses Forschungsantrages, wobei der Fokus insbesondere auf dem Abbau von Ψ, m5C und m5U in Arabidopsis thaliana lag. Es wurden zwei Enzyme, die für den Abbau von freiem Pseudouridin notwendig sind, biochemisch charakterisiert und die biologische Rolle unter anderem durch gezielte Metabolitanalytik von pflanzlichen Expressionsvarianten dieser Enzyme untersucht. Dabei wurde gezeigt, dass Pseudouridin, welches beim Abbau von Ψ-enthaltener RNA frei wird, zunächst zu ΨMP phosphoryliert wird. Die atomare Struktur der Pseudouridin-Kinase, die diese Reaktion katalysiert, konnte auch aufgeklärt werden, um die Spezifität des Enzyms für Pseudouridin besser zu verstehen. Es konnte gezeigt werden, dass ΨMP sehr giftig ist und umgehend zu Uracil und 5-Phosphoribose verstoffwechselt wird, welche in den Zentralstoffwechsel einfließen. Diese Umwandlungen finden im Peroxisom statt, wahrscheinlich um die toxische Wirkung des ΨMP zu limitieren. Für den Abbau von freiem 5-Methylcytidin (5mC) und 5-Methyluridin (5mU) besitzt die Zelle keine speziellen Enzyme, sondern diese modifizierten Nukleoside werden über die gleichen Enzyme verstoffwechselt, die auch die nicht-methylierten Varianten abbauen. Dabei überführt Cytidin-Deaminase 5mC in 5mU, welches dann von der Nukleosid-Hydrolase 1 zu Thymin (5-Methyl-Uracil) und Ribose verstoffwechselt wird. Ein Großteil des 5mU stammt direkt aus RNA-Abbau und wird nicht aus 5mC erzeugt, da RNA sehr viel m5U enthält (etwa 1 % m5U/U). Daher geht die Nukleobase Thymin im Stoffwechsel vornehmlich aus dem Abbau von RNA hervor und nicht aus dem Abbau von DNA, wo diese Base anstatt von Uracil vorkommt. Die Basen Uracil und Thymin werden dann weiter im Pyrimidinring- Katabolismus abgebaut, wobei heute noch ungeklärt ist, wie dieser Abbau in den Zentralstoffwechsel mündet. Ein Defekt im Abbau des 5mU führte zu einer Anreicherung von m5U in RNA und zu einer Wachstumsstörung bei der frühen Entwicklung. Die Rolle der Abbaureaktionen für 5mU liegt also auch im Schutz der RNA vor fälschlicher Methylierung. Zusammenfassend konnten in diesem Projekt die Abbauwege für Pseudouridin, 5mC und 5mU aufgeklärt werden. Gerade für die methylierten Pyrimidine ist dies die erste Studie in Eukaryonten, was aufzeigt, dass zum Beispiel im Stoffwechsel des Menschen, wo RNA auch m5C und m5C enthält, noch eine erhebliche Wissenslücke besteht.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Functions and Dynamics of Methylation in Eukaryotic mRNA. RNA Technologies, 333-351. Springer International Publishing.
  Chen, Mingjia & Witte, Claus-Peter
  
• A Kinase and a Glycosylase Catabolize Pseudouridine in the Peroxisome to Prevent Toxic Pseudouridine Monophosphate Accumulation. The Plant Cell, 32(3), 722-739.
  Chen, Mingjia & Witte, Claus-Peter
  
• Structural basis for the substrate specificity and catalytic features of pseudouridine kinase from Arabidopsis thaliana. Nucleic Acids Research, 49(1), 491-503.
  Kim, Sang-Hoon; Witte, Claus-Peter & Rhee, Sangkee
  
• N4-acetylation of cytidine in mRNA plays essential roles in plants. The Plant Cell, 35(10), 3739-3756.
  Wang, Wenlei; Liu, Huijie; Wang, Feifei; Liu, Xiaoye; Sun, Yu; Zhao, Jie; Zhu, Changhua; Gan, Lijun; Yu, Jinping; Witte, Claus-Peter & Chen, Mingjia
  
• Pyrimidine catabolism is required to prevent the accumulation of 5-methyluridine in RNA. Nucleic Acids Research, 51(14), 7451-7464.
  Gao, Shangyu; Sun, Yu; Chen, Xiaoguang; Zhu, Changhua; Liu, Xiaoye; Wang, Wenlei; Gan, Lijun; Lu, Yanwu; Schaarschmidt, Frank; Herde, Marco; Witte, Claus-Peter & Chen, Mingjia