Germany
April 13, 2012
Chloroplasts, the plant cell’s green solar power generators, were once living beings in their own right. This changed about one billion years ago, when they were swallowed up but not digested by larger cells. Since then, they have lost much of their autonomy. As time went on, most of their genetic information found its way into the cell nucleus; today, chloroplasts would no longer be able to live outside their host cell. Scientists in Ralph Bock’s team at the Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology have discovered that chloroplast genes take a direct route to the cell nucleus, where they can be correctly read in spite of their architectural differences.
© MPI für molekulare Pflanzenphysiologie
Cyanobacteria are among the oldest life forms, and appear to be the forerunners of green chloroplasts in plant cells. They do not possess a true cell nucleus, but their genetic substance is made up of the same four building blocks as that of humans, plants and animals. Therefore, the genes encoded in the chloroplast DNA can also be read in the cell nucleus; indeed, many genes that were still found in the cell organelles during early evolution are now located exclusively in the genome of the nucleus. How they made their way there has previously been unclear. Two mechanisms appeared likely: either direct transport in the form of DNA fragments from the chloroplasts to the nucleus or transport in the form of mRNA, which is then transcribed back into DNA.
The direct transfer of DNA appears to predominate in the chloroplasts, but this pathway raises two problems. The first problem lies in the promoters, the DNA sequences which ensure that genes are recognised as such. They are located upstream of the genes and recruit proteins that are required for transcription of the genes. However, promoters from chloroplasts are not recognised as such by the proteins in the nucleus, so that the DNA reading machinery should overlook these incoming genes.
The second difficulty is in the correct processing of the gene sequence. Genes consist of several modules, separated by non-coding DNA regions (introns). Since the introns obstruct protein synthesis, they need to be removed from the mRNA, a procedure described as splicing. The whole process, ending in synthesis of the correct protein, can resume only once this has taken place. Once again, however, the mRNA is processed differently in the cell nucleus than in the chloroplasts, and for a long time, chloroplast introns seemed to have been an insurmountable hurdle for the correct reading of chloroplast genes in the nucleus.
“But they are actually nothing of the sort”, stresses Ralph Bock, head of the research group. “Our trials have shown that the introns are recognised in the cell nucleus and spliced out, even if not always at exactly the same sites as might have been the case in the chloroplasts.” Functional proteins are formed despite this. It is thought that the introns even help the splicing enzymes by folding themselves into stable RNA structures, thus directing the enzymes to the right locations. At the same time, the RNA structure seems to help the ribosomes find the correct starting point for protein synthesis.
Since the transfer of genes into the cell nucleus is an extremely slow evolutionary process, which has taken nature millions of years, it has not been possible to investigate the underlying mechanism to date. However, researchers have now managed to fast-forward this gene transfer in the laboratory. Because the cells were subjected to high selection pressure, the transference of genes from the chloroplasts into the nucleus became essential for survival, so that it could be made readily visible. It was found that the transfer takes place without the involvement of RNA and that the DNA apparently jumps directly from the cell’s chloroplasts into its nucleus.
Direkter Transfer von Pflanzen-Genen aus Chloroplasten in den Zellkern - Trotz struktureller Unterschiede in der DNA bleibt die Genfunktion erhalten
Chloroplasten, die grünen Solarkraftwerke der Pflanzenzelle, waren früher eigenständige Lebewesen. Das änderte sich vor etwa einer Milliarde Jahren, als sie von größeren Zellen verschluckt, aber nicht verdaut wurden. Seitdem haben sie viel von ihrer Selbstständigkeit verloren. Ein Großteil ihrer Erbinformation ist im Laufe der Zeit in den Zellkern abgewandert, und ein Leben außerhalb ihrer Wirtszelle wäre den Chloroplasten heute nicht mehr möglich. Wissenschaftler um Ralph Bock vom Max-Planck-Institut für Molekulare Pflanzenphysiologie haben herausgefunden, dass die Chloroplasten-Gene auf direktem Weg in den Zellkern gelangen und dort trotz unterschiedlicher Architektur korrekt abgelesen werden.
Cyanobakterien gehören zu den ältesten Lebewesen überhaupt und sind allem Anschein nach die Vorläufer der grünen Chloroplasten in den Pflanzenzellen. Sie besitzen keinen echten Zellkern, doch ihre Erbsubstanz ist aus den gleichen vier Bausteinen aufgebaut wie die von Menschen, Pflanzen und Tieren. Die in der Chloroplasten-DNA kodierten Gene können also auch im Zellkern abgelesen werden, und tatsächlich befinden sich viele Gene, die in der frühen Evolution noch in den Zellorganellen zu finden waren, heute ausschließlich im Genom des Zellkerns. Wie sie dorthin gelangt sind, war bisher unklar. Zwei Mechanismen schienen möglich: entweder der direkte Transport als DNA-Stücke vom Chloroplasten in den Zellkern oder der Transport als mRNA, die dann wieder zurück in DNA umgeschrieben wird.
In Chloroplasten scheint der direkte Transfer von DNA zu dominieren, doch wirft dieser Weg zwei Probleme auf. Ein erstes Problem liegt in den Promotoren, den DNA-Sequenzen, die dafür sorgen, dass Gene als solche erkannt werden. Sie sind den Genen vorgelagert und rekrutieren Proteine, die zur Abschrift der Gene benötigt werden. Promotoren aus Chloroplasten werden aber von den Proteinen im Zellkern nicht als solche erkannt, die DNA-Ablesemaschinerie sollte also die eingewanderten Gene überlesen.
Die zweite Schwierigkeit besteht in der richtigen Verarbeitung der Gensequenz. Gene bestehen aus mehreren Modulen, die durch nichtkodierende DNA-Bereiche (Introns) voneinander getrennt sind. Da die Introns hinderlich für die Proteinsynthese sind, müssen sie aus der mRNA entfernt werden; ein Vorgang, der als Spleißen bezeichnet wird. Erst dann kann weitergearbeitet und ein korrektes Protein synthetisiert werden. Doch auch hier gilt: Die mRNA wird im Zellkern anders verarbeitet als in den Chloroplasten und Chloroplasten-Introns schienen lange Zeit eine unüberwindbare Hürde für das korrekte Ablesen von Chloroplastengenen im Zellkern zu sein.
„Genau das sind sie aber nicht“, stellt Arbeitsgruppenleiter Ralph Bock fest. „In unseren Versuchen hat sich gezeigt, dass die Introns im Zellkern erkannt und ausgeschnitten werden, wenn auch teilweise nicht genau an den gleichen Stellen, wie es in den Chloroplasten der Fall gewesen wäre.“ Trotzdem entstehen funktionsfähige Proteine. Vermutlich helfen die Introns den Spleiß-Enzymen sogar, indem sie sich in stabile RNA-Strukturen falten und so die Enzyme an die richtigen Stellen dirigieren. Gleichzeitig scheint die RNA-Struktur die Ribosomen dabei zu unterstützen, den richtigen Startpunkt für die Proteinsynthese zu finden.
Da der Transfer von Genen in den Zellkern ein extrem langsam ablaufender evolutionärer Prozess ist, der in der Natur Millionen von Jahren benötigt hat, konnte der zugrundeliegende Mechanismus bislang nicht direkt untersucht werden. Den Wissenschaftlern gelang es nun, in Laborexperimenten den Gentransfer im Zeitraffer ablaufen zu lassen. Indem sie die Zellen unter einen hohen Selektionsdruck setzten, wurde die Übertragung von Genen aus den Chloroplasten in den Zellkern überlebenswichtig und ließ sich so leicht sichtbar machen. Dabei zeigte sich, dass der Transfer ohne Beteiligung von RNA stattfindet und die DNA offensichtlich direkt aus den Chloroplasten in den Zellkern springt.
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