Translation und Translationsregulation in verschiedenen Kompartimenten von Pflanzenzellen

• Antragsteller: Professor Dr. Christian M. T. Spahn
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 416210002

Da Pflanzen nicht mobil sind, haben sie im Zuge der Evolution spezielle Adaptionsmechanismen erworben, um sich an ändernde Umweltbedingungen anzupassen. Einer der grundlegendsten Anpassungsprozesse ist die schnelle Regulation der Genexpression, die in Pflanzen sehr stark auf dem Level der mRNA-Translation ausgeübt wird. Strukturelle und mechanistische Studien zur Proteinbiosynthese haben sich bisher sehr stark auf Bakterien, niedere Eukaryonten (Hefe) und Säuger konzentriert, wohingegen unser Wissen über die Translation in Pflanzen begrenzt ist. In Pflanzen findet Translation in drei verschiedenen Zellkompartimenten statt: Zytosol, Chloroplast und Mitochondrium. Jedes dieser Zellkompartimente verfügt über einen spezialisierten Translationsapparat. Ziel dieses Antrages ist es, die strukturellen Grundlagen der Proteinsynthese und ihrer Regulierung und Anpassung an die Umweltbedingungen in Pflanzenzellen in zwei verschiedenen Kompartimenten, nämlich dem Zytosol und den Chloroplasten, auszuarbeiten. Dazu schlagen wir eine zweigleisige Strategie vor. In Fortsetzung unserer erfolgreichen Arbeit aus der ersten Förderperiode werden wir native, aktiv-translatierende, ribosomale Komplexe (ex vivo Polysomen) aus der Zelle mittels Einzelpartikel-Kryo-EM analysieren. Dies wird es uns ermöglichen, die Strukturen der langlebigeren Elongationszwischenprodukte mit sehr hoher Auflösung (<4 Å - ~2 Å) zu lösen und die strukturelle Analyse bis auf das Niveau von chemischen Modifikationen der ribosomalen RNAs und Proteine sowie von gebundenen Kationen, Polyaminen und Wassermolekülen voranzutreiben. Um die Translation im nativen zellulären Kontext des Zytosols bzw. der Chloroplasten zu visualisieren, werden wir Kryo-Elektronentomographie in Verbindung mit Subtomogramm-Mittelung anwenden. Mittels der in situ Analyse werden wir einen umfassenden Überblick über die Translationsintermediate erhalten inklusive der transienten Dekodierungs- und Translationskomplexe mit der translationalen GTPasen eEF1A/EF-Tu und eEF2/EF-G. Zudem wird sich aus der Verteilung der funktionalen Zustände, die Energielandschaft der Translation im nativen zellulären Kontext ergeben. Um Einblicke in die molekularen Mechanismen zu erhalten, die der Reaktion einer Pflanze auf Kälteanpassung oder Kältestress zugrunde liegen, werden wir unsere Analyse auf Pflanzen bei niedriger Temperatur ausweiten. Unsere vorläufige Analyse hat bereits gezeigt, dass die Einwirkung von Kältestress auf Pflanzen zu erheblichen Veränderungen der translatorischen Energielandschaft führt, die dem ribosomalen Elongationszyklus sowohl im Chloroplasten als auch im Zytosol zugrunde liegt. Darüber hinaus werden wir die Rolle der ribosomalen Proteine bL33c und uS15c bei der Chloroplastentranslation, mit Fokus auf ihre Relevanz bei der Kälteakklimatisierung untersuchen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen