Växter har speciella korrigerande molekyler till sitt förfogande som kan göra retrospektiva modifieringar av kopior av gener. Det verkar dock som om dessa "Tipp-Ex-proteiner" inte har tillstånd att fungera i alla delar av cellen, utan endast används i kloroplaster och mitokondrier.
En studie från universitetet i Bonn har nu förklarat varför så är fallet. Det tyder på att korrigeringsmekanismen annars skulle modifiera kopior som inte har något fel på dem, med ödesdigra konsekvenser för cellen. Resultaten har publicerats i The Plant Journal .
Växtceller har en mängd specialiserade strukturer som kallas organeller, varav två särskilt viktiga är kloroplasterna och mitokondrierna. De förra använder ljusenergi för att omvandla koldioxid och vatten till syre och socker, medan de senare gör mer eller mindre samma sak omvänt:de "bränner" socker och andra föreningar för att generera den energi som behövs för många cellulära processer.
De två organellerna är unika genom att de har sina egna gener. Detta genetiska material fungerar som uppsättningar av monteringsinstruktioner för nyckelmolekyler som organellerna behöver för sitt arbete. Om en kloroplast behöver tillverka ett visst protein, till exempel, beställer den först en kopia av de relevanta monteringsanvisningarna som den sedan kan använda för att producera proteinet.
"Men generna i kloroplaster och mitokondrier innehåller ofta defekter", förklarar Elena Lesch, doktorand vid University of Bonn Institute for Cellular and Molecular Botany. "Så kopiorna måste korrigeras, annars fungerar inte proteinerna som satts ihop utifrån deras instruktioner."
För detta använder växter ett slags Tipp-Ex-speciella molekyler som tillhör gruppen pentatricopeptide repeat (PPR) proteiner.
Växter har minst ett dussin och, i vissa fall, så många som flera tusen av dessa speciella PPR-proteiner, som var och en korrigerar mycket specifika defekter. Det är som om varje ord i en tidning hade sin egen underredaktör. Istället för att tillverkas i organellerna där de används, tillverkas dock PPR-proteinerna utanför organellerna, i cytosolen.
Cytosolen är också packad med genkopior, även om dessa kommer från cellens kärna, där de flesta av de många tusen av växtens gener lagras. Däremot innehåller mitokondrier och kloroplaster bara några dussin gener var. "Tipp-Ex-proteinerna" skulle teoretiskt kunna korrigera kopiorna inuti cytosolen också. "Men det gör de inte", säger Lesch. "De gör bara sitt arbete i organellerna, och vi ville veta varför."
En anledning kan vara att de "molekylära underredaktörerna" helt enkelt flyttas för snabbt från cytosolen in i organellerna. För att undersöka denna möjlighet monterade forskarna en slags molekylär switch till PPR-gener inuti en del av mossan Physcomitrium. Detta gjorde det möjligt för dem att få cellerna att producera mycket stora mängder PPR-proteiner praktiskt taget med en knapptryckning.
"Vi kunde påvisa att detta översvämmer transportmekanismen", avslöjar Leschs kollega Mirjam Thielen, som utförde många av experimenten. "Det orsakade en hög av PPR-proteiner i cytosolen."
När de väl hade anlänt till cytosolen började de modifiera kopior från kärnan. "Vi analyserade ändringarna de gjorde och såg att proteinerna hade modifierat många uppsättningar av monteringsinstruktioner som faktiskt skulle ha varit korrekta", säger Lesch.
"Felaktiga ingrepp som dessa är kontraproduktiva, naturligtvis, eftersom de kan sätta proteinfunktioner på spel." Men varför skulle detta hända i första hand? Förutom att upptäcka defekter binder PPR-proteinerna även till så kallade sekvenser utanför mål, områden som kan se ut som en defekt sekvens men som faktiskt är helt okej.
"Med kopior av tiotusentals gener som trängs om utrymme inuti cytosolen, skulle risken för att dessa sekvenser utanför målet korrigeras felaktigt vara hög", konstaterar Lesch.
För att förhindra detta tillverkar växter i allmänhet endast relativt små mängder PPR-proteiner, som sedan transporteras rakt in i organellerna innan molekylären "Tipp-Ex" i cytosolen kan göra någon skada. Eftersom antalet gener – och därmed hur många kopior av dem det finns – inuti kloroplasterna och mitokondrierna är hanterbart, tenderar inga sådana felkorrigeringar att inträffa där.
Studien ger nya insikter om hur dessa korrigerande proteiner identifierar sina mål. I framtiden kan det därför vara möjligt att använda resultaten för att göra mycket riktade modifieringar av specifika kopior av gener inuti mitokondrier och kloroplaster och för att undersöka effekten av sådana modifieringar.
Med tanke på den viktiga roll som dessa organeller spelar i växters energiomsättning, öppnar detta också upp för några intressanta praktiska tillämpningar.
Mer information: Mirjam Thielen et al, Conquering new grounds:plant organellar C-to-U RNA-redigeringsfaktorer kan vara funktionella i växtens cytosol, The Plant Journal (2024). DOI:10.1111/tpj.16804
Journalinformation: The Plant Journal
Tillhandahålls av University of Bonn
