Vergleichende, quantitative Untersuchung der Dynamiken des chloroplastidären Translationsapparates in einer Grünalge und in Landpflanzen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Sophia Rudorf; Professor Dr. Felix Willmund; Dr. Reimo Zoschke
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Biophysik der Pflanzen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 437345987

Die Genexpression in Chloroplasten ist ein faszinierender Prozess mit bemerkenswerten Eigenschaften, welche sich durch eine hoch dynamische und überwiegend post-transkriptionale Regulation auszeichnet. Diese Prozesse definieren das plastidäre Proteom und regulieren die exakte Stöchiometrie zwischen plastidär- und kern-kodierten Proteinen in plastidären Proteinkomplexen. Letzteres ist besonders für die Schlüsselkomplexe der Photosynthese, der CO2 Fixierung, der Genexpression und metabolischer Prozesse entscheidend, da diese meist aus Untereinheiten dualer Herkunft bestehen. Weiterhin ist die plastidäre Regulation der Proteinsynthese für die pflanzliche Entwicklung und die Anpassungsfähigkeit an Umweltveränderungen und somit für die Überlebensfähigkeit pflanzlicher Organismen wichtig. Während die Proteinsequenzen der plastidär-kodierten Proteine bei pflanzlichen Organismen stark konserviert sind, unterscheiden sich insbesondere Algen und Landpflanzen in ihren Mechanismen der mRNA-Reifung und der translationalen Regulation. Befunde unserer und anderer Gruppen deuten darauf hin, dass die Chloroplasten-Proteinsynthese in verschiedenen Modellpflanzen anscheinend hauptsächlich durch die Translation reguliert wird. Ähnlich wie in tierischen Organismen können dem Chloroplasten-Ribosom vermutlich zentrale regulatorische Funktionen zugeschrieben werden. Diese basieren mutmaßlich auf einer Heterogenität der Ribosomen sowie der Regulation von Mengen und Modifikationen subzellulärer Isoakzeptor-tRNA-Populationen. Trotz der Bedeutung plastidärer Translation sind ihre Reaktionskinetiken, Mechanismen und regulatorischen Faktoren bisher kaum verstanden. Das beantragte interdisziplinäre Projekt hat zum Ziel, die plastidäre Translation auf globaler Ebene quantitativ zu untersuchen und ihre Mechanismen zu entschlüsseln. Die evolutive Robustheit und Anpassungsfähigkeit der plastidären Translation wird durch einen systematischen interorganismischen Vergleich der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii und der Landpflanzen Arabidopsis thaliana und Nicotiana tabacum untersucht. Dieser horizontale Ansatz wird durch einen vertikalen komplementiert, bei dem wir die Robustheit und Anpassungsfähigkeit der plastidären Proteinsynthese direkt über Mutanten testen, in welchen nichtessentielle ribosomale Proteine bzw. tRNAs deletiert wurden. Da die plastidäre Proteinsynthese ein dynamischer und stochastischer Prozess ist, kann sie durch statische experimentelle Daten nur unvollständig beschrieben werden. Daher werden wir ein mathematisches Modell des Prozesses entwerfen und Computersimulationen durchführen, die wir basierend auf den Experimenten iterativ testen und optimieren. Eine solche quantitative, globale und detaillierte Beschreibung der Translation ist nicht nur für ein prinzipielles Verständnis der plastidären Proteinsynthese essentiell, sie setzt z.B. auch ein enormes Potential zur Optimierung der Transgenexpression in Chloroplasten für biotechnologische Anwendungen frei.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen