Undersøgelse viser, at planter begrænser brugen af ​​korrigerende Tipp-Ex-proteiner

Planter har specielle korrigerende molekyler til deres rådighed, som kan foretage retrospektive modifikationer af kopier af gener. Det ser dog ud til, at disse "Tipp-Ex-proteiner" ikke har tilladelse til at virke i alle områder af cellen, de bliver kun brugt i kloroplaster og mitokondrier.

En undersøgelse fra universitetet i Bonn har nu forklaret, hvorfor det er tilfældet. Det tyder på, at korrektionsmekanismen ellers ville modificere kopier, der ikke har noget galt med dem, med fatale konsekvenser for cellen. Resultaterne er blevet offentliggjort i The Plant Journal .

Planteceller har en lang række specialiserede strukturer kendt som organeller, hvoraf to særligt vigtige er kloroplaster og mitokondrier. Førstnævnte bruger lysenergi til at omdanne kuldioxid og vand til ilt og sukker, mens sidstnævnte gør mere eller mindre det samme omvendt:de "brænder" sukker og andre forbindelser for at generere den energi, der er nødvendig til adskillige cellulære processer.

De to organeller er unikke ved, at de har deres egne gener. Dette genetiske materiale fungerer som sæt af monteringsvejledninger til nøglemolekyler, som organellerne kræver til deres arbejde. Hvis en kloroplast for eksempel skal lave et bestemt protein, bestiller den først en kopi af den relevante monteringsvejledning, som den derefter kan bruge til at fremstille proteinet.

Gen fra kloroplaster og mitokondrier er ofte defekte

"Men generne i kloroplaster og mitokondrier indeholder ofte defekter," forklarer Elena Lesch, en ph.d.-studerende ved University of Bonn's Institute for Cellular and Molecular Botany. "Så kopierne skal rettes, ellers vil proteinerne, der er samlet baseret på deres instruktioner ikke fungere."

Til dette bruger planter en slags Tipp-Ex-specielle molekyler, der tilhører gruppen af ​​pentatricopeptide repeat (PPR) proteiner.

Planter har mindst et dusin og i nogle tilfælde så mange som flere tusinde af disse specielle PPR-proteiner, som hver især korrigerer meget specifikke defekter. Det er, som om hvert ord i en avis havde sin egen underredaktør. I stedet for at blive fremstillet i organellerne, hvori de bruges, fremstilles PPR-proteinerne dog uden for organellerne i cytosolen.

Cytosolen er også pakket fuld af genkopier, selvom disse kommer fra cellens kerne, hvor de fleste af de mange tusinde af plantens gener er lagret. Derimod indeholder mitokondrier og kloroplaster kun et par dusin gener hver. "Tipp-Ex-proteinerne" kunne teoretisk også korrigere kopierne inde i cytosolen. "Men det gør de ikke," siger Lesch. "De udfører kun deres arbejde i organellerne, og vi ville gerne vide hvorfor."

Samning af transportmekanismen ind i organellerne

En årsag kan være, at de "molekylære underredaktører" simpelthen flyttes for hurtigt fra cytosolen ind i organellerne. For at undersøge denne mulighed monterede forskerne en slags molekylær switch til PPR-gener inde i noget af mosen Physcomitrium. Dette satte dem i stand til at få cellerne til at producere meget store mængder PPR-proteiner praktisk talt ved at trykke på en knap.

"Vi var i stand til at demonstrere, at dette oversvømmer transportmekanismen," afslører Leschs kollega Mirjam Thielen, som har udført mange af eksperimenterne. "Det forårsagede en ophobning af PPR-proteiner i cytosolen."

Da de var ankommet til cytosolen, begyndte de at modificere kopier fra kernen. "Vi analyserede de ændringer, de foretog, og så, at proteinerne havde ændret rigtig mange sæt monteringsvejledninger, som faktisk ville have været korrekte," siger Lesch.

"Ukorrekte indgreb som disse er selvfølgelig kontraproduktive, fordi de kan sætte proteinfunktioner i fare." Men hvorfor skulle dette ske i første omgang? Ud over at detektere defekter binder PPR-proteinerne sig også til det, der er kendt som off-target-sekvenser, områder, der kan ligne en defekt sekvens, men som faktisk er helt i orden.

"Med kopier af titusindvis af gener, der trænger sig på plads inde i cytosolen, ville risikoen for, at disse off-target-sekvenser bliver korrigeret forkert, være høj," bemærker Lesch.

Produktion af 'Tipp-Ex'-molekyler underlagt streng regulering

For at forhindre dette laver planter generelt kun relativt små mængder PPR-proteiner, som derefter transporteres direkte ind i organellerne, før det molekylære "Tipp-Ex" i cytosolen kan gøre nogen skade. Fordi antallet af gener – og dermed hvor mange kopier af dem der er – inde i kloroplasterne og mitokondrierne er overskueligt, har sådanne fejlkorrektioner en tendens til at forekomme der.

Undersøgelsen giver ny indsigt i, hvordan disse korrigerende proteiner identificerer deres mål. I fremtiden kan det derfor være muligt at bruge resultaterne til at lave meget målrettede modifikationer af specifikke kopier af gener inde i mitokondrier og kloroplaster og til at undersøge effekten af ​​sådanne modifikationer.

I betragtning af de vigtige roller, som disse organeller spiller i planters energimetabolisme, åbner dette også op for nogle interessante praktiske anvendelser.

Flere oplysninger: Mirjam Thielen et al., Conquering new grounds:planteorganelære C-til-U RNA-redigeringsfaktorer kan være funktionelle i plantens cytosol, The Plant Journal (2024). DOI:10.1111/tpj.16804

Journaloplysninger: The Plant Journal

Leveret af University of Bonn