Molecular and physiological dissection of GUN1 chloroplast-to-nucleus retrograde signaling [thesis]

Luca Tadini
2013
Retrograde signaling encompasses the molecular mechanisms that enable the cell organelles to communicate with the nucleus and to adapt Nuclear Gene Expression (NGE) to the organelle's needs. Regarding plastid-tonucleus signaling, the Organellar Gene Expression (OGE), the Thylakoid Redox State (TRS), Reactive Oxygen Species (ROS) production and the tetrapyrrole biosynthesis are considered to be the main sources of signals. Here, we determined the molecular aspects of retrograde signaling by
more » ... e signaling by employing a genetics-based approach. To this end, the OGE-defective prors1-1 mutant, knock-down of a dual-located Prolyl-tRNA Synthetase, was crossed with chaos, a mutant with altered light absorption properties. The phenotypic analysis of the double mutant allowed for the determination of a hierarchy among the signal sources: perturbations in OGE lead to an increase of the reduced fraction of the plastoquinone (PQ) pool, while the chaos mutation alleviates this effect. NGE analyses of the prors1-1 chaos double mutant indicate that the chaos mutation suppresses the down-regulation observed in the prors1-1 mutant, implying that the TRS mediates the OGE-dependent retrograde signal. Furthermore, the introgression of the gun1 mutation into an OGE defective genetic background like the prors1-1 and some prp mutants, lacking plastid ribosomal proteins, enabled us to investigate the functional interaction of GUN1 with the OGE machinery. Moreover, the physical interaction with the Mg-chelatase suggests a role of GUN1 in coordinating OGE and chlorophyll biosynthesis with NGE. To determine whether other plastid Transcriptionally Active Chromosomes (pTACs) subunits exert a similar function, the effects of a mutation in the RNA helicase RH50 gene were analyzed in combination with the same set of OGE mutants. RH50, which is co-regulated and co-localizes with GUN1, was shown to modulate NGE in an OGE defective mutant background similar to GUN1, suggesting that a specific domain of the pTAC complexes, rather than GUN1 alone, is capable to mediate OGE-dependent signaling. Molecular and physiological dissection of GUN1 chloroplast-to-nucleus retrograde signaling ii Zusammenfassung Unter "retrograde Signaling" werden jene molekularen Mechanismen zusammengefasst, die der Organellen-Kern Kommunikation dienen und es erlauben die nukleäre Genexpression (NGE) den Bedürfnissen der Organellen anzupassen. Als Hauptsignalquellen der Plastiden-Kern Kommunikation gelten die Genexpression der Organellen (OGE), der Redoxzustand der Thylakoide (TRS), reaktive Sauerstoffspezies und die Tetrapyrrole-Biosynthese. In dieser Arbeit wurden molekulare Aspekte der retrograden Signalübertragung mithilfe genetischer Ansätze untersucht. Dazu wurde die prors1-1 Mutante, die einen Defekt in der OGE aufweist, mit chaos, einer Mutante mit veränderten Lichtabsorptionseigenschaften, gekreuzt. Deren Analyse erlaubte die Bestimmung einer Hierarchie unter den einzelnen Signalquellen: Störungen in der OGE erhöhen die reduzierte Fraktion des Plastoquinonpools (PQ) während die chaos Mutation diesen Effekt abschwächt. Die Analyse der NGE in der prors1-1 chaos Doppelmutante zeigt die kompensatorischen Eigenschaften der chaos Mutation hinsichtlich der verringerten Expression von kernkodierten Genen in der prors1-1 Mutante. Somit scheint dem TRS eine Signalfunktion im OGE-abhängigen "retrograde Signaling" zuzukommen. Die Einführung der gun1 Mutation in prors1-1 und einige prp Mutanten erlaubt es, die funktionale Interaktion von GUN1 mit den OGE Prozessen zu untersuchen. Zudem deutet die physikalische Interaktion von GUN1 mit der Mg-Chelatase auf eine Rolle von GUN1 in der Koordination von OGE und Chlorophyll-Biosynthese mit NGE hin. Zur Beantwortung der Frage, ob andere Untereinheiten der Plastidiären Transkriptionell-aktiven Chromosomen (pTACs) eine ähnliche Funktion wie GUN1 ausüben, wurden die Effekte einer Mutation im Gen der RNA Helikase RH50 in Kombination mit dem gleichen Set an OGE Mutanten analysiert. Die Mutation der stark mit GUN1 koregulierten und kolokalisierten RNA Helikase RH50 wies dabei ähnliche Anpassungseffekte der NGE in den OGE-Mutanten auf. Daraus lässt sich folgern, dass nicht GUN1 allein, sondern eine spezifische Domäne der pTAC-Komplexe in der Lage ist, die OGE-abhängige Signalübertragung zu vermitteln. Molecular and physiological dissection of GUN1 chloroplast-to-nucleus retrograde signaling iii
doi:10.5282/edoc.19354 fatcat:33yni4ua2rbx5jy7bkhz24f2fu