Ziele und Funktionen der chloroplastidären Ribonukleoproteine CP33A and CP33B
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Projekts war es, die Funktionen von chloroplastidären RNA-bindenden Proteinen (cpRNPs) in Pflanzen zu untersuchen, insbesondere ihre Rolle bei der Regulation von Genexpression nach der Transkription. Chloroplasten besitzen ein eigenes Genom, dessen Expression präzise gesteuert werden muss. Dabei spielt die Stabilisierung und Verarbeitung von RNA eine entscheidende Rolle. cpRNPs sind Proteine, die RNA-Moleküle binden und dadurch an deren Stabilität, Reifung oder Übersetzung mitwirken. Sie reagieren dabei dynamisch auf Umweltreize, wie etwa Temperaturänderungen. Ursprünglich sollte in diesem Projekt insbesondere die Funktion des Proteins CP33A untersucht werden. Schwierigkeiten bei der Erzeugung lebensfähiger Mutanten führten jedoch dazu, dass der Fokus auf das verwandte Protein CP29A verlagert wurde. Für dieses Protein lagen bereits Mutanten mit klar erkennbaren phänotypischen Veränderungen vor. Es zeigte sich, dass CP29A eine zentrale Rolle bei der Expression des rbcL-Gens spielt, das für die große Untereinheit des Rubisco-Enzyms kodiert - ein Schlüsselenzym der Photosynthese. Besonders unter Kältestress unterstützt CP29A die Produktion von Rubisco, was für die Kälteakklimatisierung von Pflanzen essenziell ist. Diese Erkenntnisse basieren auf molekularbiologischen Methoden wie eCLIP (enhanced cross-linking and immunoprecipitation) und RNA-Bind-N-Seq, die es erlauben, RNA-Protein-Interaktionen hochauflösend zu analysieren. In Tabakpflanzen mit gezielten Genveränderungen konnte unter Kältebedingungen eine deutliche Reduktion von rbcL-mRNA und -Protein beobachtet werden, was die Bedeutung von CP29A unterstreicht). Ein weiterer wichtiger Befund war die Beobachtung, dass CP29A unter Kälteeinfluss sogenannte Phasentrennungen eingeht - es bildet flüssig-flüssig getrennte Kompartimente in der Nähe von Chloroplasten-Nukleoiden. Dies ist das erste Mal, dass ein solches Phänomen im Kontext pflanzlicher Organellengenexpression beschrieben wurde. Die strukturelle Basis dieser Phasentrennung konnte in Zusammenarbeit mit dem Labor von Prof. Sattler durch NMR-Spektroskopie analysiert werden. Hierbei wurde insbesondere die Bedeutung einer prion-ähnlichen Domäne innerhalb von CP29A identifiziert. Parallel wurde das Protein CP33B untersucht, das als RNA-Bindungspartner der psbA-mRNA identifiziert wurde. Dieses Gen kodiert für das D1-Protein des Photosystem II, ein zentrales Element der Photosynthese, das besonders empfindlich gegenüber Lichtschäden ist und deshalb kontinuierlich neu synthetisiert werden muss. Durch Methoden wie RIP-Seq und RBNS konnte gezeigt werden, dass CP33B nahezu alle psbA-Transkripte in Chloroplasten bindet, was auf eine potenziell wichtige Rolle in deren Regulation hindeutet. Trotz dieser starken Bindung zeigten Mutanten jedoch keine offensichtlichen Störungen bei psbA-Expression oder Photosyntheseleistung, was möglicherweise durch funktionelle Redundanzen mit anderen Proteinen erklärt werden kann. Aufgrund fehlender phänotypischer Effekte wurde die detaillierte funktionelle Analyse von CP33B im weiteren Verlauf nicht weiterverfolgt. Insgesamt leistete das Projekt einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der RNA-basierten Regulation in Chloroplasten. Es etablierte neue methodische Standards (erstmalige Verwendung von eCLIP und RBNS in pflanzlichen Organellen), lieferte molekulare Einblicke in Kälteanpassungsmechanismen und eröffnete neue Perspektiven auf die biophysikalischen Eigenschaften von RNA-bindenden Proteinen in pflanzlichen Organellen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Exploring the proteome associated with the mRNA encoding the D1 reaction center protein of Photosystem II in plant chloroplasts. The Plant Journal, 102(2), 369-382.
Watkins, Kenneth P.; Williams‐Carrier, Rosalind; Chotewutmontri, Prakitchai; Friso, Giulia; Teubner, Marlene; Belcher, Susan; Ruwe, Hannes; Schmitz‐Linneweber, Christian; van Wijk, Klaas J. & Barkan, Alice
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The Chloroplast Ribonucleoprotein CP33B Quantitatively Binds the psbA mRNA. Plants, 9(3), 367.
Teubner, Marlene; Lenzen, Benjamin; Espenberger, Lucas Bernal; Fuss, Janina; Nickelsen, Jörg; Krause, Kirsten; Ruwe, Hannes & Schmitz-Linneweber, Christian
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The Chloroplast RNA Binding Protein CP29A supportsrbcLexpression during cold acclimation. American Geophysical Union (AGU).
Lenzen Benjamin, Rösch Florian; Ruwe Hannes, Kachariya Nitin; Legen Julia, Sattler Michael & Small Ian, Schmitz-Linneweber Christian
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A prion-like domain is required for phase separation and chloroplast RNA processing during cold acclimation in Arabidopsis. The Plant Cell, 36(8), 2851-2872.
Legen, Julia; Lenzen, Benjamin; Kachariya, Nitin; Feltgen, Stephanie; Gao, Yang; Mergenthal, Simon; Weber, Willi; Klotzsch, Enrico; Zoschke, Reimo; Sattler, Michael & Schmitz-Linneweber, Christian
