Dr. Jennifer Ortelt (AG Prof. Link)
Pflanzliche Sigmafaktoren regulieren die Transkription in Plastiden
Chloroplasten nehmen im pflanzlichen, zellulären Metabolismus eine Schlüsselrolle ein, die sich in der komplexen Genmaschinerie der Organellen widerspiegelt. Die plastidäre Expression wird durch viele Faktoren beeinflusst, für uns von großer Bedeutung und Interesse ist die Wirkung und Regulation durch die Sigmafaktoren. Wie Bakterien enthalten Plastiden Sigmafaktoren zur Promotorbindung und Transkriptionsinitiierung. Es gibt Hinweise darauf, dass die Mitglieder dieser Sigmafaktor-Familie spezifische Funktionen bezüglich der Promotorpräferenz in unterschiedlichen Entwicklungsstadien und unter verschiedenen Umwelteinflüssen ausüben. Die Ermittlung dieser regulatorischen Determinante ist das Ziel unserer Forschung.
In Plastiden wird die Genexpression von mindesten drei RNA-Polymerasen durchgeführt, so dass an dieser Stelle bereits eine regulierbare Einflussnahme auf die Expression erfolgt. Die Polymerasen unterscheiden sich in ihrem phylogenetischen Ursprung, welches unterschiedliche Funktionen, Struktur sowie Interaktionen mit regulatorischen Elementen voraussetzt. Die Aktivität der kernkodierten RNA Polymerasen NEP (nuclear encoded polymerase, RPOTp, RPOTmp) ist entwicklungsspezifisch und gewebeabhängig; in Proplastiden ist überwiegend die NEP an der plastidären Transkriptionsmaschinerie beteiligt, in ausdifferenzierten reifen Plastiden nimmt die plastidenkodierten RNA-Polymerase PEP (plastid encoded polymerase) ihren Platz ein. Übereinstimmend mit der Existenz mehrerer Polymerasen, besitzt das Plastom unterschiedliche Promotoren, die sich in ihrer Architektur stark voneinander unterscheiden. Über das Vorhandensein verschiedener Promotorelemente können die plastidären Gene unterschiedlich reguliert exprimiert werden.
Abb. 1: Sigmafaktor-Familie aus Arabidopsis thaliana
Sigmafaktoren lassen sich in drei Bereiche einteilen: Transitpeptid (TP), unkonservierter und konservierter Bereich. Letzterer weist die von σ70 bekannten Regionen 1.2 bis 4 für die elementaren Funktionen der Transkriptionsfaktoren auf.
Die kernkodierten Sigmafaktoren nehmen als Untereinheiten der PEP ebenfalls Einfluss auf die Expression. Ihre große Bedeutung liegt in der Steuerung des Initiationsprozesses, erst die Bindung des Sigmafaktors an die DNA ermöglicht der RNA-Polymerase die Transkription des jeweiligen Gens und gewährleistet so eine spezifische Transkription. Die Polymerase erhält durch die Sigmafaktoren eine höhere Bindungs-Affinität zum Promotor, woraus eine verstärkte Expression resultiert. Die Expression jedes Sigmafaktors unterliegt der Transkription im Zellkern, welche durch Entwicklung und Umwelteinflüsse reguliert werden kann. Dies weist auf die enorme Bedeutung einer koordinierten Steuerung der Transkription zwischen Kern und Plastiden hin. Des Weiteren ist bekannt, dass verschiedene posttranslationale Modifizierungen die Aktivität verändern können. Durch Proteinkinasen (z.B. cpCK2) erfolgt die Phosphorylierung der Sigmafaktoren, Proteinphosphatasen katalysieren die Reaktion der Dephosphorylierung. Der Grad der Phosphorylierung steuert die Bindungsaffinität zur Polymerase.
Abb. 2: Sigmafaktor-Familie im Kontext der Transkription
Schema der Funktionen und Auswirkungen der sechs Sigmafaktoren aus Arabidopsis in der plastidären Transkriptionsmaschinerie. Diese sehr einfache Präsentation soll einen Überblick des komplexen Netzwerks geben, in das die Sigmafaktoren eingebunden sind, welches sie aber auch selber bilden und regulieren. Pfeile stellen die Auswirkungen und Transkriptionen dar, die von den jeweiligen Faktoren ausgeübt werden.
An dieser Stelle möchte ich noch einmal die enorme Bedeutung der Regulation der plastidären Transkription hervorheben. Das Arabidopsis Plastom weist etwa 130 Gene auf, die, dadurch das sie häufig in polycistronischen Einheiten vorliegen, nur in etwa 35 Transkriptioneinheiten lokalisiert sind. Die Transkription wird jedoch von drei Polymerasen durchgeführt, an die PEP bindet einer von sechs Sigmafaktoren (A. thaliana) sowie eine Vielzahl weiterer Proteine. Auch Modifizierungen durch die cpCK2 sind gegeben, so dass man nicht von "einer" PEP sprechen kann, sondern durch die verschiedenen möglichen Konstellationen auch unterschiedliche Promotorbindungen in Betracht ziehen muss. Die Einflussnahme des Transkriptionsapparates wird durch dessen Komplexität in Bezug auf die geringe Größe des plastidären Genoms in den Mittelpunkt gestellt.
Abb. 3: Phänotypen der Knockout- und Chimäre-Sigmafaktor-Mutanten
Keimlinge des Wildtyps (WT), der Einzelmutanten Δsig1, Δsig3 und Δsig6 sowie die Linien der chimären Faktoren Δ6+sig1/6, Δ6+sig6/1, Δ6+sig3/6 und Δ6+sig6/3 wurden auf MS-Platten für 7 Tage im Phytotron unter Kurztagbedingungen (8 h Licht/16 h Dunkel) kultiviert. Besonders auffällig ist der kräftige Phänotyp mit den weißen Kotyledonen ist bei den Keimlingen Δsig6, Δ6+sig1/6 und Δ6+sig3/6.
Das Arabidopsis thaliana–Plastom
Das Schema zeigt die Anordnung der plastidären Gene von Arabidopsis thaliana. Die Balkenlänge der Gene spiegelt ihre jeweilige Größe wieder. Die Gene auf dem äußeren Kreis werden entgegen, die inneren Gene im Uhrzeigersinn transkribiert. Die Funktion der Proteine, für die die Gene kodieren, ist farblich gekennzeichnet und der Beschriftung zu entnehmen. (Schweer et al., 2006, supplementary data)
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Veröffentlichungen
2012
TÜRKERI, H., SCHWEER, J. and LINK, G. (2012) Phylogenetic and functional features of the plastid transcription kinase cpCK2 from Arabidopsis signify a role of cysteinyl SH-groups in regulatory phosphorylation of plastid sigma factors. FEBS Journal 279:395-409 
2010
SCHWEER, J. (2010) Sigma factors come of age: flexible transcription factor network for regulated plastid gene expression. Endocytobiosis Cell Res 20:1-20
SCHWEER, J., TÜRKERI, H., KOLPACK, A. and LINK, G. (2010b) Role and regulation of plastid sigma factors and their functional interactors during chloroplast transcription - recent lessons from Arabidopsis thaliana. European journal of cell biology 89:940-946
SCHWEER, J., TURKERI, H., LINK, B. and LINK, G. (2010a) AtSIG6, a plastid sigma factor from Arabidopsis, reveals functional impact of cpCK2 phosphorylation. Plant J 62:192-202
2009
SCHWEER, JENNIFER (2009) Rolle kernkodierter Transkriptionsfaktoren bei der Steuerung der plastidären Genexpression in A. thaliana: Konstruktion und molekular-genetische Funktionsanalysen von Mutantenlinien. Dissertation
SCHWEER, J., GEIMER, S., MEURER, J. and LINK, G. (2009) Arabidopsis mutants carrying chimeric sigma factor genes reveal regulatory determinants for plastid gene expression. Plant Cell Physiol 50, 1382-1386
2006
SCHWEER, J., LOSCHELDER, H. and LINK, G. (2006) A promoter switch that can rescue a plant sigma factor mutant. FEBS Letters 580:6617–6622
LOSCHELDER, H., SCHWEER, J., LINK, B. and LINK, G. (2006) Dual Temporal Role of Plastid Sigma Factor 6 in Arabidopsis Development. Plant Physiology 142:642–650