Untersuchung von Chloroplastenfunktion mit Hilfe differentieller Genexpressionsanalyse

Biehl, Alexander (2004). Untersuchung von Chloroplastenfunktion mit Hilfe differentieller Genexpressionsanalyse. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Die Chloroplasten haben als Folge ihrer Entwicklung vom ehemals frei lebenden Cyanobakterium hin zum biosynthetischen Zellorganell einer eukaryotischen Zelle die Fähigkeit verloren, alle zum Leben beziehungsweise zum Überleben benötigten Proteine selbstständig zu synthetisieren. Die postendosymbiontische Evolution des Proto-Chloroplasten war geprägt von einem massiven Gentransfer in den Zellkern, so dass mehr als 90 % des Proteoms heutiger Chlorplasten kernkodiert und dadurch auch die Regulation der Chloroplastenfunktionen größtenteils auf den Zellkern übergegangen ist. Die Entwicklung eines vollständig funktionellen Chloroplasten ist somit abhängig von der koordinierten Expression von kernkodierten und plastomkodierten Genen als Antwort auf sowohl entwicklungsspezifische als auch umgebungsbedingte Signale. Die Regulation der Transkription dieser Gene ist eine effektive Methode, um Einfluss auf die Funktionen des Chloroplasten zu nehmen. Die Transkriptionsregulation einer Reihe von Genen des Kerns, insbesondere des zu annähernd gleichen Teilen im Kern und Plastom kodierten photosynthetischen Apparates, ist abhängig von der Präsenz funktioneller Plastiden in der Zelle und beinhaltet retrograde Signale, die vom Chloroplasten zum Zellkern gerichtet sind. In dieser Arbeit wurde durch einen Makroarray die differentielle Expression von 3292 nukleären Genen, die größtenteils Proteine des Plastiden kodieren und fast das vollständige kernkodierte Transkriptom des Chloroplasten darstellen, unter 101 verschiedenen Bedingungen untersucht. Eine gemeinsame Schnittmenge von 1616 konstitutiv exprimierten Genen zeigte nur drei übergeordnete Hauptklassen der transkriptionellen Antwort. Die meisten der getesteten Stimuli resultieren in entweder vorherrschend induzierte Transkription oder aber vorherrschend reprimierte Transkription der meisten und überwiegend jeweils identischen Gene dieses Teils des plastidären Transkriptoms. Anscheinend existiert ein integrativer Hauptschalter, der das nukleäre Transkriptom des Chloroplasten als ein Ganzes reguliert. Anhand ihres Expressionsverhaltens ließen sich die 1616 Gene in 25 voneinander separierte, ko-exprimierte Gruppen (Regulons) einteilen. Ausgenommen der Regulons SOM 4-1 und SOM 5-1 sind alle anderen Regulons heterogen und beinhalten Gene, die Proteine unterschiedlicher subzellulärer Lokalisationen und verschiedener bioche-mischer Funktionen kodieren. Das lässt darauf schließen, dass die verschiedenen Zellorganellen und/oder verschiedenste Stoffwechselwege der Zelle zumindest auf der Ebene der Transkription im Zellkern koordiniert sind. Die Ausnahme sind die Gene des Kerngenoms, die die Untereinheiten des Photosynthese-Apparates oder aber Proteine, die beteiligt sind an der Transkriptions- und Translationsmaschinerie der plastomkodierten Gene (insbesondere Ribosomen-Untereinheiten) (Regulon SOM 4-1 und Regulon SOM 5-1) kodieren. Die Ko-Expression dieser Gene deutet darauf hin, dass ein bisher unbekannter Mechanismus, möglicherweise über die nukleäre Kontrolle der Ribosomen-Abundanz im Cloroplasten, die Genexpression gerade des Teils des Proteoms koordiniert, der noch immer sowohl im Kern als auch im Plastom kodiert ist. Die Ergebnisse aus den Expressionsanalysen unterstützen zudem die Vermutung, dass die retrograden Signale vom Organell zum Zellkern an der Regulation der nukleären Transkription maßgeblich beteiligt sind. Die Ko-Regulation der Gene der Photosynthese und der ribosomalen Proteine des Chloroplasten entzieht sich der oben dargestellten generellen Expressionsregulation von nukleären Chloroplastengenen, die kontrolliert wird durch einen kürzlich beschriebenen transkriptionellen Hauptschalter. Durch den Vergleich zu anderen Chloroplasten-funktionen zeigt diese Beobachtung die Existenz eines speziellen Modus der transkriptionellen Regulation der Photosynthese an. Aus der evolutionären Sicht deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass die funktionelle Integration des Proto-Chloroplasten in die eukaryotische Wirtszelle mit der Etablierung von verschiedenen Ebenen der nukleären Kontrolle der Transkription einherging.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Along with their development from a once free-living cyanobacteria to the biosynthetic organelles of the eucaryotic cell, chloroplasts have lost their ability to synthesize all the proteins needed to live and survive on their own. Post-endosymbiotic evolution of the proto-chloroplast was characterized by gene transfer to the nucleus. Hence, today more than 90 % of the chloroplast proteins are nuclear-encoded and the regulation of chloroplast functions includes nuclear transcriptional control. The development of a fully functional chloroplast therefore depends on the coordinate expression of nuclear and chloroplast genes in response to both developmental and environmental signals. Control of transcript abundance of these genes is an effective strategy for regulating chloroplast functions. Transcriptional Regulation of a whole string of nuclear genes, espacially those coding for the photosynthetic apparatus which is encoded almost equally in both the nuclear and the plastid genome, depends on the presence in the cell of functional plastids and involves retrograde signals that originate in the chloroplast acting to regulate transcription of nucleus-encoded photosynthetic genes. In this work, by means of a GST macroarray the expression profiles of 3292 nuclear Arabidopsis genes, most of them encoding chloroplast proteins and representing almost the whole nuclear plastid transcriptome, were determined from 101 different conditions. A common intersection of 1616 most-constitutive expressed genes only showed three main classes of response from the nuclear chloroplast transcriptome. Most of the 101 environmental and genetic conditions tested resulted in either predominantly induction of gene expression or prevalent repression of transcription of always highly identical subsets of genes indicating the existance of a major switch that regulates the nuclear chloroplast transcriptome as a whole. Due to their expression, the 1616 genes fell into 25 distinct groups of co-regulated genes (regulons). Except regulons SOM 4-1 and SOM 5-1, regulons are heterogeneous and consist of genes coding for proteins with different subcellular locations or contributing to several biochemical functions. This implies that different organelles and/or metabolic pathways are co-ordinated at the nuclear transcriptional level. The co-expression of nuclear genes coding for subunits of the photosystems or encoding proteins involved in the transcription/translation of plastome genes (particularly ribosome polypeptides) (regulons SOM 4-1 and SOM 5-1, respectively) implies the existence of a novel mechanism that co-ordinates plastid and nuclear gene expression and involves nuclear control of plastid ribosome abundance. The results from the expression profiling also supports the conjecture that the retrograde signals from the chloroplasts play an operative role in the regulation of nuclear transcription. The co-regulation of genes for photosystem and plastid ribosome proteins escapes a previously described general control of nuclear chloroplast proteins imposed by a transcriptional master switch, highlighting a mode of transcriptional regulation of photosynthesis which is different compared to other chloroplast functions. From the evolutionary standpoint, the results provided indicate that functional integration of the proto-chloroplast into the eucaryotic cell was associated with the establishment of different layers of nuclear transcriptional control.

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