Pflanzen verfügen über einen ausgeklügelten Mechanismus zur Überwachung der Produktion neuer Proteine. Der U1-snRNP-Komplex sorgt dafür, dass die Protein-Baupläne vollständig vervollständigt werden. Dies ist wichtig, da Zellen dazu neigen, den Prozess vorzeitig zu stoppen. Diese Art der Qualitätskontrolle, das sogenannte Telescripting, war bisher nur in tierischen Zellen bekannt.
Ein Forschungsteam unter der Leitung der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) hat nun gezeigt, dass ein ähnlicher Prozess auch in Pflanzen abläuft. Die Studie war veröffentlicht im Tagebuch Naturpflanzen.
Pflanzenzellen benötigen Proteine, um zu funktionieren. Sie steuern alle lebenswichtigen Prozesse der Pflanze, zum Beispiel Wachstum und Stoffwechsel. Der Bauplan für neue Proteine liegt im Erbgut einer Pflanze, genauer gesagt in ihren Genen.
„Die Informationen sind kodiert, und die Gene müssen gelesen und von der DNA in RNA umgeschrieben werden. Diese RNA-Moleküle sind der Bauplan für Proteine, die Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Aufbau“, erklärt Professor Sascha Laubinger, Pflanzengenetiker von der MLU.
In der neuen Studie untersuchte ihr Team, wie Pflanzen dafür sorgen, dass diese Baupläne korrekt produziert werden. „Die RNA enthält auch Abschnitte, die für die Produktion von Proteinen nicht notwendig sind. Diese müssen vorher erkannt und herausgeschnitten werden. Dies übernimmt ein Spleißosom, das auch die relevanten Geninformationen zusammenfügt“, so Laubinger weiter.
Dabei gibt es keinen Spielraum für Fehler: Selbst geringfügige Veränderungen an der RNA können zu fehlerhaften Proteinen führen. Gene verfügen außerdem über mehrere Stellen, an denen der Transkriptionsprozess unbeabsichtigt gestoppt werden kann.
Vor etwa zehn Jahren entdeckten Forscher bei Tieren einen Mechanismus, der die Transkription von DNA zu RNA am Laufen hält: das Telescripting.
„Der U1-snRNP-Komplex hat eine Doppelfunktion: Als Teil des Spleißosoms trägt er dazu bei, dass relevante Geninformationen richtig zusammengespleißt werden. Außerdem sorgt er dafür, dass der Transkriptionsprozess vollständig abgeschlossen wird. Dieser zweite Mechanismus wird als Telescripting bezeichnet“, erklärt Laubinger. Bisher war unklar, ob dieser Prozess auch in Pflanzen existiert.
Um ihre Hypothese zu testen, verwendeten die Forscher die Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Sie stellten im Labor künstlich Pflanzen her, die wenige U1-snRNP-Moleküle enthielten. „Wir konnten die Konzentration auf etwa 10 % des Normalwertes reduzieren. Alles darunter bedeutete, dass die Pflanze nicht mehr lebensfähig war“, sagt Laubinger.
Optisch unterschieden sich die Pflanzen bereits stark von ihren normalen Artgenossen: Sie waren deutlich kleiner und ihre Blätter waren verkümmert. Die Forscher analysierten die Aktivität aller Gene dieser Pflanzen und suchten nach verkürzten RNA-Schnipseln. Dies ist ein Hinweis darauf, dass die Transkription von DNA zu RNA vorzeitig gestoppt wurde.
Das Team fand mehrere hundert Instanzen. „Wir waren überrascht, dass wir so viele RNA-Fragmente gefunden haben. Arabidopsis thaliana hat relativ kurze Gene, daher sollte der Einfluss des U1-snRNP-Komplexes auf den Transkriptionsprozess eher gering sein. Andere Pflanzen, wie bestimmte Farne und Kiefern, haben längere Gene, Daher könnte der Effekt hier noch größer sein“, sagt Laubinger.
Die Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse darüber, wie die Genaktivität in Pflanzen gesteuert werden kann. „Wir wissen, dass Telescripting die Genaktivität in menschlichen Zellen unter Hitzestress verändern kann“, sagt Laubinger. Sollte sich etwas Ähnliches in Pflanzen finden, könnte dies eine Möglichkeit sein, sie beispielsweise widerstandsfähiger gegen die Auswirkungen des Klimawandels zu machen.
Weitere Informationen:
Anchilie F. Mangilet et al.: Das Arabidopsis U1 snRNP reguliert die mRNA-3′-Endverarbeitung. Naturpflanzen (2024). DOI: 10.1038/s41477-024-01796-8