Bonn, Germany
July 3, 2020
Almost all land plants employ an army of molecular editors who correct errors in their genetic information. Together with colleagues from Hanover, Ulm and Kyoto (Japan), researchers from the University of Bonn have now transferred one of these proofreaders from the moss Physcomitrium patens (previously known as Physcomitrella patens) into a flowering plant. Surprisingly, it performs its work there as reliably as in the moss itself. The strategy could be suitable for investigating certain functions of the plant energy metabolism in more detail. It may also be valuable for developing more efficient crops. The study will be published in the journal The Plant Cell.
Schematic representation of a PPR protein (here called RNA editor) with its target site. RNA editors correct specific errors in the mitochondria and chloroplasts. © Bastian Oldenkott/Uni Bonn
Plants differ from animals in that they are capable of photosynthesis. They do this in specialized "mini-organs" (biologists speak of organelles), the chloroplasts. Chloroplasts produce sugar with the help of sunlight, which in turn is used in other organelles, the mitochondria, to produce energy.
Both chloroplasts and mitochondria have their own genetic material. And in both of them this genome contains a lot of errors. "At least that is the case with almost all land plants," explains Dr. Mareike Schallenberg-Rüdinger. The researcher heads a junior research group at the University of Bonn in the Department of Molecular Evolution under Prof. Volker Knoop. "They have to correct these errors so their power supply does not collapse."
In fact, land plants do the same, and in a very complicated way: They do not correct the errors in the genome itself. Instead, they correct the RNA copies that the cell makes of these DNA blueprints, which it then uses to produce certain enzymes, for example. So instead of correcting the original, it only irons out the inaccuracies afterwards in the copies.
The team: (from left) Bastian Oldenkott, Prof. Volker Knoop, Dr. Anke Hein and Dr. Mareike Schallenberg-Rüdinger investigate RNA editing in evolutionarily distant plants. © Elena Lesch/Uni Bonn
Functional despite 400 million years of evolutionary history
Molecular proofreaders, the so-called PPR proteins, are responsible for this. Most of them are specialists for only one particular error in the many gene copies that the cell produces around the clock. These errors occur when, in the course of evolution, a certain chemical building block of DNA (a letter, if you like, in the genetic blueprint) is swapped for another. When the PPR proteins find such a swap, they convert the wrong letter in the RNA copy (the building block cytidine, abbreviated C) into the correct version (uridine, abbreviated U).
"We have now taken a gene for a PPR protein from the moss Physcomitrium patens and transferred it into a flowering plant, the thale cress Arabidopsis thaliana," explains Schallenberg-Rüdinger. "The protein then recognized and corrected the same error there for which it was also responsible in the moss." This is astonishing, since there are more than 400 million years of evolutionary history between Physcomitrium and Arabidopsis. The PPR proteins can therefore also differ significantly in their structure.
For instance, the thale cress contains PPR proteins that can identify errors but still require a separate "white-out" enzyme to correct them. In contrast, the PPR proteins of the moss Physcomitrium perform both tasks simultaneously. "In these cases, the transfer from moss to thale cress works, but the thale cress gene remains inactive in the moss," explains Bastian Oldenkott, doctoral student and lead author of the study. The macadamia nut appeared in evolution a little earlier than Arabidopsis. Its PPR protein being investigated is more similar to that of Physcomitrium. Once introduced into the moss, it therefore performs its service there without any problems.
The study may open up a new way to modify the genetic material of chloroplasts and mitochondria. "Especially for plant mitochondria, this is not yet possible at all," emphasizes Schallenberg-Rüdinger. Using special "designer" PPR genes, for example, one might specifically render certain genome transcripts unusable and test how this affects the plant. In the medium term, this may also result in new findings for breeding particularly high-yielding, high-performance varieties. First, however, the researchers hope to gain insights into the complex interaction of genes in the functioning of chloroplasts and mitochondria.
The research carried out by co-authors Prof. Hans-Peter Braun and Dr. Jennifer Senkler from the University of Hanover proves that this approach can actually work. They were able to clarify what the PPR protein from the moss is needed for: If it is missing, the plant is no longer able to correctly assemble the machinery for the so-called respiratory chain in the mitochondria, which is used to generate energy. The work in the thale cress was carried out in cooperation with Matthias Burger (University of Ulm) and Prof. Mizuki Takenaka (University of Kyoto), a fine example of successful international cooperation.
Publication: Bastian Oldenkott, Matthias Burger, Anke-Christiane Hein, Anja Jörg, Jennifer Senkler, Hans-Peter Braun, Volker Knoop, Mizuki Takenaka and Mareike Schallenberg-Rüdinger: One C-to-U RNA editing site and two independently evolved editing factors: testing reciprocal complementation with DYW-type PPR proteins from the moss Physcomitrium (Physcomitrella) patens and the flowering plants Macadamia integrifolia and Arabidopsis thaliana; The Plant Cell; DOI: https://doi.org/10.1105/tpc.20.00311
Moos-Protein korrigiert Erbgut-Fehler anderer Pflanzen
Fast alle Landpflanzen beschäftigen ein Heer molekularer Redakteure, die Fehler in ihrer Erbinformation berichtigen. Forscher der Universität Bonn haben nun mit Kollegen aus Hannover, Ulm und Kyoto einen dieser Korrekturleser vom Moos Physcomitrium patens (bisher bekannt als Physcomitrella patens) in eine Blütenpflanze übertragen. Erstaunlicherweise verrichtet er dort seine Arbeit ähnlich zuverlässig wie im Moos selbst. Die Strategie könnte sich eignen, um bestimmte Funktionen des pflanzlichen Energiestoffwechsels genauer zu untersuchen. Eventuell lässt sie sich auch zur Entwicklung leistungsfähigerer Nutzpflanzen einsetzen. Die Studie erscheint in der Fachzeitschrift "The Plant Cell".
Pflanzen unterscheiden sich von Tieren dadurch, dass sie Photosynthese betreiben können. Sie tun das in spezialisierten „Mini-Organen“ (Biologen sprechen von Organellen), den Chloroplasten. Chloroplasten produzieren mit Hilfe von Sonnenlicht Zucker, der wiederum in anderen Organellen – den Mitochondrien – zur Energiegewinnung genutzt wird.
Sowohl Chloroplasten als auch Mitochondrien verfügen über ein eigenes Erbgut. Und bei beiden enthält dieses Genom jede Menge Fehler. „Zumindest ist das bei fast allen Landpflanzen so“, erklärt Dr. Mareike Schallenberg-Rüdinger. Die Wissenschaftlerin leitet an der Universität Bonn in der Abteilung Molekulare Evolution von Prof. Volker Knoop eine Nachwuchsgruppe. „Sie müssen diese Fehler korrigieren, damit ihre Energieversorgung nicht zusammenbricht.“
Tatsächlich machen die Landpflanzen das auch, und zwar auf einem denkbar komplizierten Weg: Sie verbessern nicht etwa die Fehler im Genom selbst. Stattdessen berichtigen sie die Abschriften, die die Zelle von diesen Bauanleitungen anfertigt und mit deren Hilfe sie dann zum Beispiel bestimmte Enzyme herstellt. Anstatt also gleich das Original zu korrigieren, bügelt sie die Inkorrektheiten erst nachträglich bei den Kopien aus.
Funktionsfähig trotz 400 Millionen Jahren Evolutionsgeschichte
Verantwortlich dafür sind molekulare Korrekturleser, die so genannten PPR-Proteine. Die meisten sind Spezialisten für nur einen ganz bestimmten Fehler in den vielen Gen-Abschriften, die die Zelle rund um die Uhr herstellt. Diese Fehler entstehen, wenn im Laufe der Evolution ein bestimmter chemischer Baustein der DNA (wenn man so will, ein Buchstabe in der genetischen Bauanleitung) gegen einen anderen ausgetauscht wird. Wenn die PPR-Proteine einen solchen Austausch finden, wandeln sie den falschen Buchstaben in der DNA-Abschrift (den Baustein Cytidin, abgekürzt C) in die richtige Version (Uridin, abgekürzt U) um.
„Wir haben nun ein Gen für ein PPR-Protein aus dem Laubmoos Physcomitrium patens genommen und in eine Blütenpflanze verfrachtet, die Ackerschmalwand Arabidopsis thaliana“, erklärt Schallenberg-Rüdinger. „Das Protein erkannte und korrigierte dort dann den gleichen Fehler, für den es auch im Moos verantwortlich war.“ Das ist erstaunlich, liegen doch zwischen Physcomitrium und Arabidopsis mehr als 400 Millionen Jahre Evolutionsgeschichte. Daher können die PPR Proteine sich auch in ihrem Aufbau deutlich unterscheiden.
So gibt es etwa in der Ackerschmalwand PPR-Proteine, die zwar Fehler erkennen können, zu ihrer Korrektur aber noch ein separates „Tipp-Ex“-Enzym benötigen. Die PPR-Proteine des Laubmooses Physcomitrium übernehmen dagegen beide Aufgaben zugleich. „In diesen Fällen funktioniert daher zwar der Transfer vom Moos in die Ackerschmalwand; umgekehrt bleibt das Ackerschmalwand-Gen im Moos dagegen funktionslos“, erklärt Bastian Oldenkott, Doktorand und Erstautor der Studie. Etwas früher als Arabidopsis trat in der Evolution die Macadamia-Nuss auf. Ihr untersuchtes PPR-Protein ist dem aus Physcomitrium ähnlicher. In das Moos eingebracht, verrichtet es dort daher anstandslos seinen Dienst.
Die Studie eröffnet möglicherweise einen neuen Weg, das Erbgut von Chloroplasten und Mitochondrien zu modifizieren. „Insbesondere für pflanzliche Mitochondrien ist das bislang noch gar nicht möglich“, betont Schallenberg-Rüdinger. Durch die Nutzung spezieller „Designer“-PPR-Gene könnte man zum Beispiel gezielt bestimmte Genom-Abschriften unbrauchbar machen und testen, wie sich das auf die Pflanze auswirkt. Eventuell ergeben sich daraus mittelfristig auch neue Erkenntnisse für die Züchtung besonders ertragreicher Hochleistungs-Sorten. Zunächst aber erhoffen sich die Wissenschaftler Einblicke in das komplexe Zusammenspiel der Gene bei der Funktion von Chloroplasten und Mitochondrien.
Dass dieser Ansatz tatsächlich funktionieren kann, belegen die Arbeiten, die die Koautoren Prof. Hans-Peter Braun und Dr. Jennifer Senkler von der Universität Hannover durchgeführt haben. Sie konnten aufklären, wofür das PPR-Protein aus dem Moos nötig ist: Wenn es fehlt, kann die Pflanze die Maschinerie für die so genannte Atmungskette in den Mitochondrien nicht mehr korrekt zusammenbauen, die der Energiegewinnung dient. Die Arbeiten in der Ackerschmalwand erfolgten in Zusammenarbeit mit Matthias Burger (Universität Ulm) und Prof. Mizuki Takenaka (Universität Kyoto), ein schönes Beispiel für eine erfolgreiche internationale Kooperation.
Originalpublikation:
Bastian Oldenkott, Matthias Burger, Anke-Christiane Hein, Anja Jörg, Jennifer Senkler, Hans-Peter Braun, Volker Knoop, Mizuki Takenaka and Mareike Schallenberg-Rüdinger: One C-to-U RNA editing site and two independently evolved editing factors: testing reciprocal complementation with DYW-type PPR proteins from the moss Physcomitrium (Physcomitrella) patens and the flowering plants Macadamia integrifolia and Arabidopsis thaliana; The Plant Cell; DOI: https://doi.org/10.1105/tpc.20.00311
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