Universel reguleringsmekanisme i planteceller opdaget

Alle planteceller henter deres energi hovedsageligt fra to organeller, de indeholder - kloroplaster (ansvarlige for fotosyntese) og mitokondrier (ansvarlige for den biokemiske respirationscyklus, der omdanner sukker til energi). Imidlertid, et stort antal af en plantecelles gener i dens mitokondrier og kloroplaster kan udvikle defekter, sætter deres funktion i fare. Alligevel, planteceller udviklede et fantastisk værktøj kaldet RNA-editosomet (et stort proteinkompleks) til at reparere denne slags fejl. Det kan modificere defekt messenger-RNA, der er et resultat af defekt DNA, ved at transformere (deaminering) af visse mRNA-nukleotider.

Automatisk fejlkorrektion i planteceller

Automatisk fejlkorrektion i planter blev opdaget for omkring 30 år siden af ​​et team ledet af plantefysiolog Axel Brennicke og to andre grupper samtidigt. Denne mekanisme konverterer visse cytidinnukleotider i messenger-RNA'et til uridin for at korrigere fejl i chloroplast-DNA'et eller mitokondrielt DNA. RNA-redigering er derfor afgørende for processer som fotosyntese og cellulær respiration i planter. År senere, yderligere undersøgelser viste, at en gruppe af proteiner omtalt som PPR-proteiner med DYW-domæner spiller en central rolle i plante-RNA-redigering. Disse PPR-proteiner med DYW-domæner transskriberes i cellekernen og migrerer gennem cellerne til kloroplaster og mitokondrier. Imidlertid, de er inaktive på vej til disse organeller. Først når de er i organellerne, bliver de aktive og udfører deres funktion på et specifikt mRNA-sted. Hvordan denne aktivering fungerer, imidlertid, har været et mysterium indtil nu.

Det virker ikke i et reagensglas

I mange år, det var ikke muligt syntetisk at producere disse DYW-type PPR-proteiner i laboratoriet for at studere deres funktion og struktur nærmere. Først nu er det lykkedes et tysk-japansk team ledet af strukturbiolog og biokemiker Dr. Gert Weber fra Joint Protein Crystallography Group i Helmholtz-Zentrum Berlin og Freie Universität Berlin.

Nu:3D-struktur af nøgleproteinet afkodet

Prof. Mizuki Takenakas gruppe havde tidligere været i stand til at producere DYW-domænet i bakterier. Takenaka har forsket på Kyoto University siden 2018 og har tidligere arbejdet i Axel Brennickes laboratorium i Ulm, Tyskland. Tatiana Barthel (University of Greifswald og nu på HZB) var dengang i stand til at dyrke de første proteinkrystaller i DYW -domænet. Et stort antal af disse delikate krystaller er nu blevet analyseret ved MX-strålelinjerne i BESSY II, så den tredimensionelle arkitektur af DYW-domænet kunne afkodes. "Takket være den fælles forskningsgruppe, der er samlokaliseret ved HZB og FU Berlin, vi har mulighed for stråletid til målinger meget hurtigt, når det er nødvendigt, hvilket var afgørende, " siger Dr. Manfred Weiss, der er ansvarlig for MX-strålelinjerne på BESSY II og medforfatter af undersøgelsen.

Aktiveringsmekanisme opdaget

Denne tredimensionelle arkitektur har faktisk givet det afgørende fingerpeg om mekanismen for DYW-domæneaktivering, der gælder for alle planter. Det skyldes et zinkatom placeret i midten af ​​DYW -domænet, der kan fremskynde deaminering af cytidin til uridin som en katalysator. For at dette kan ske, imidlertid, zink skal placeres optimalt. Aktiveringskontakten leveres af et meget usædvanligt gating-domæne i umiddelbar nærhed af det katalytiske center - den strukturelle analyse viser, at dette gating-domæne kan antage to forskellige positioner, derved tænder eller slukker enzymet. "Bevægelsen af ​​gating -domænet regulerer, i hvilket omfang zinkionen er tilgængelig for den katalytiske reaktion, " forklarer Weber.

Et molekyle som en saks

Nu er det blevet klart, hvorfor det har været svært at få DYW-type PPR-proteiner til at reagere med RNA i reagensglasset indtil nu:Disse PPR-proteiner er nominelt inaktive og kræver aktivering. I plantecellerne, de produceres først i cellekernen og migrerer derefter meget sandsynligt i en inaktiveret tilstand til organellerne, hvor de bliver aktiveret. "Dette er ideelt, fordi ellers ville disse molekyler være aktive undervejs, at ændre forskellige RNA-molekyler på en ukontrolleret måde, der er skadelig for cellen, siger Weber.

Universal reparationsværktøj

Dette arbejde er et gennembrud for plantemolekylærbiologi, fordi det beskriver et yderligere niveau af sofistikeret regulering i kloroplaster og mitokondrier. Resultaterne er grundlæggende for plantevidenskab, men de kunne også spille en rolle i vores daglige liv en dag. DYW-domænet kan være et nyttigt værktøj til kontrollerbar og stedspecifik C-til-U og U-til-C RNA-redigering. Dette kunne åbne op for nye bioingeniør- og medicinske applikationer, såsom omprogrammering af visse mitokondrielle gener uden at ændre en celles nukleare DNA.