Unvoreingenommener Blick auf Pflanzen zeigt, wie sie ihre Transkription regulieren

Unsere heutige Welt ist von vielzelligen Organismen bevölkert, von großen Bäumen bis hin zu klimaschädlichen Menschen. Diese Vielzelligkeit entstand unabhängig voneinander bei Pflanzen und Tieren. Tiere und Pflanzen gehen unterschiedlich mit den Herausforderungen um, einzelne Zellen zu einem größeren Organismus zusammenzuschließen. Dazu gehören die Notwendigkeit der Kommunikation und Koordination zwischen Zellen, die Aufteilung und der Transport von Nährstoffen sowie die Bildung spezialisierter Strukturen.

Eine Herausforderung, die die Mehrzelligkeit mit sich bringt, besteht darin, dass alle Zellen den gleichen genetischen Code tragen, aber unterschiedlich aussehen und sich unterschiedlich verhalten: Eine Wurzelzelle muss sich in Richtung Wasserquellen und Schwerkraft ausdehnen, während Zellen in den Blättern die Photosynthese betreiben.

Um aus demselben zugrunde liegenden Code unterschiedliche Ergebnisse zu erzielen, verändern Zellen die Art und Weise, wie der Code abgelesen wird. Dies nennt man transkriptionelle Regulierung. Pflanzen und Tiere unterscheiden sich auch grundlegend in der Art und Weise, wie sie diese transkriptionelle Regulierung erreichen, wie eine neue Arbeit der Gruppe von Magnus Nordborg am GMI zeigt.

Die Ergebnisse, veröffentlicht In Naturgenetik am 12. September eröffnen eine neue Perspektive auf die Transkriptionsregulierung bei Pflanzen.

„Vieles von dem, was wir bisher über die transkriptionelle Regulation bei Pflanzen wissen, basiert auf Forschungen an Tieren und Hefen“, sagt Yoav Voichek, Postdoc im Labor von Magnus Nordborg und Co-Autor der Studie. „Wir wollten Pflanzen unvoreingenommen betrachten und dadurch Mechanismen und Prozesse aufdecken, die nur bei Pflanzen vorkommen.“

Mithilfe eines parallelen Reporterassays an vier Pflanzenarten – Mais, Arabidopsis, Tomate und Nicotiana benthamiana – suchten die Forscher nach Sequenzen, die die Transkription beeinflussen. Die Transkriptionsstartstelle (TSS) ist die spezifische Stelle auf einem Gen, an der die Transkription beginnt. Die Forscher identifizierten eine Region stromabwärts der TSS, die für die Transkriptionsregulierung von zentraler Bedeutung ist.

Bei genauerer Betrachtung der Art und Weise, wie die Sequenzen die Transkription regulieren, entdeckten die Forscher eine Neuheit in der Transkriptionsregulierung. „Am überraschendsten ist, dass diese regulatorische Sequenz, wenn wir ihre Position ändern und sie vor den Transkriptionsstartpunkt setzen, die Transkription nicht mehr steuert“, sagt Voichek.

Dieses Ergebnis steht im Widerspruch zu den Erwartungen, die man bei der Untersuchung der Transkriptionsregulierung bei Tieren erwarten würde: Bei Tieren sind regulatorische Sequenzen positionsunabhängig, da das Vertauschen ihrer Position keinen Einfluss darauf hat, wie sie die Transkription regulieren.

Feinabstimmung der Transkription

Innerhalb der regulatorischen Sequenz entdeckten die Wissenschaftler ein Sequenzmotiv, bestehend aus den Basen GATC, das die Genexpression stark steuert. „Das Sequenzmotiv hat einen stärkeren Einfluss auf die Transkription als jedes DNA-Motiv, das vor dem Transkriptionsstartpunkt identifiziert wurde“, erklärt Voichek. Das Motiv ist evolutionär konserviert und kommt in allen Gefäßpflanzen vor, also in allen Landpflanzen außer Moosen, Hornmoosen und Lebermoosen.

Die Art und Weise, wie das GATC-Motiv die Transkription beeinflusst, veranschaulicht, wie regulatorische Sequenzen die Transkription in verschiedenen Zelltypen fein abstimmen können. „Je höher die Anzahl dieser Motive stromabwärts des TSS, desto stärker wird das Gen exprimiert“, sagt Voichek. „Das Motiv wirkt wie ein Rheostat, der Gene fein abstimmt, die in allen Zelltypen, aber auf unterschiedlichen Ebenen exprimiert werden müssen.“

In Zukunft will Voichek untersuchen, wie das GATC-Motiv die Transkription kontrolliert. „Unsere Studie verändert nicht nur das Verständnis der Transkriptionsregulation bei Pflanzen, sondern unterstreicht auch, dass wir die Transkription in einer Vielzahl von Organismen untersuchen müssen, um unser Verständnis der Biologie zu erweitern.“