Alle plantencellen halen hun energie voornamelijk uit twee organellen die ze bevatten:chloroplasten (verantwoordelijk voor fotosynthese) en mitochondriën (verantwoordelijk voor de biochemische ademhalingscyclus die suikers omzet in energie). Echter, een groot aantal genen van een plantencel in de mitochondriën en chloroplasten kan defecten ontwikkelen, hun functie in gevaar brengen. Hoe dan ook, plantencellen ontwikkelden een geweldig hulpmiddel, het RNA-editorosoom (een groot eiwitcomplex) om dit soort fouten te herstellen. Het kan defectief boodschapper-RNA wijzigen dat het gevolg is van defectief DNA door het transformeren (deamineren) van bepaalde mRNA-nucleotiden.

Automatische foutcorrectie in plantencellen

Automatische foutcorrectie in planten werd ongeveer 30 jaar geleden ontdekt door een team onder leiding van plantenfysioloog Axel Brennicke en twee andere groepen tegelijk. Dit mechanisme zet bepaalde cytidine-nucleotiden in het boodschapper-RNA om in uridine om fouten in het chloroplast-DNA of mitochondriaal DNA te corrigeren. RNA-bewerking is daarom essentieel voor processen zoals fotosynthese en cellulaire ademhaling in planten. Jaren later, verdere studies toonden aan dat een groep eiwitten die PPR-eiwitten met DYW-domeinen worden genoemd, een centrale rol spelen bij het bewerken van plant-RNA. Deze PPR-eiwitten met DYW-domeinen worden getranscribeerd in de celkern en migreren door de cellen naar chloroplasten en mitochondriën. Echter, ze zijn inactief op weg naar deze organellen. Pas als ze zich in de organellen bevinden, worden ze actief en voeren ze hun functie uit op een specifieke mRNA-plaats. Hoe deze activering werkt, echter, was tot nu toe een mysterie.

Het werkt niet in een reageerbuis

Voor vele jaren, het was niet mogelijk om deze DYW-type PPR-eiwitten synthetisch te produceren in het laboratorium om hun functie en structuur nauwkeuriger te bestuderen. Pas nu is een Duits-Japans team onder leiding van structureel bioloog en biochemicus Dr. Gert Weber van de Joint Protein Crystallography Group van Helmholtz-Zentrum Berlin en Freie Universität Berlin hierin geslaagd.

Nu:3D-structuur van het belangrijkste eiwit gedecodeerd

De groep van prof. Mizuki Takenaka was eerder in staat om het DYW-domein in bacteriën te produceren. Takenaka doet sinds 2018 onderzoek aan de Universiteit van Kyoto en werkte eerder in het laboratorium van Axel Brennicke in Ulm, Duitsland. Tatiana Barthel (Universiteit van Greifswald en nu bij HZB) was toen in staat om de eerste eiwitkristallen van het DYW-domein te kweken. Een groot aantal van deze delicate kristallen is nu geanalyseerd bij de MX-bundellijnen van BESSY II, zodat de driedimensionale architectuur van het DYW-domein kon worden gedecodeerd. "Dankzij de Joint Research Group die samen met de HZB en FU Berlin is gevestigd, we hebben de mogelijkheid van straaltijd voor metingen zeer snel wanneer dat nodig is, wat cruciaal was, " zegt Dr. Manfred Weiss, die verantwoordelijk is voor de MX-bundellijnen bij BESSY II en co-auteur van de studie.

Activeringsmechanisme ontdekt

Deze driedimensionale architectuur heeft in feite de cruciale aanwijzing gegeven voor het mechanisme van DYW-domeinactivering dat van toepassing is op alle planten. Het is te wijten aan een zinkatoom in het midden van het DYW-domein dat de deaminering van cytidine tot uridine kan versnellen als een katalysator. Om dit te laten gebeuren, echter, het zink moet optimaal gepositioneerd zijn. De activeringsschakelaar wordt geleverd door een zeer ongebruikelijk poortdomein in de onmiddellijke nabijheid van het katalytische centrum - de structurele analyse laat zien dat dit poortdomein twee verschillende posities kan aannemen, waardoor het enzym in- of uitgeschakeld wordt. "De beweging van het gating-domein regelt de mate waarin het zinkion beschikbaar is voor de katalytische reactie, ' legt Weber uit.

Een molecuul als een schaar

Nu is duidelijk geworden waarom het tot nu toe moeilijk was om PPR-eiwitten van het DYW-type te laten reageren met RNA in de reageerbuis:deze PPR-eiwitten zijn nominaal inactief en moeten worden geactiveerd. In de plantencellen, ze worden eerst geproduceerd in de celkern en migreren dan zeer waarschijnlijk in een geïnactiveerde toestand naar de organellen, waar ze geactiveerd worden. "Dit is ideaal, omdat anders deze moleculen onderweg actief zouden zijn, het veranderen van verschillende RNA-moleculen op een ongecontroleerde manier die schadelijk is voor de cel, ' zegt Weber.

Universele reparatietool

Dit werk is een doorbraak voor de moleculaire biologie van planten omdat het een extra niveau van geavanceerde regulatie in chloroplasten en mitochondriën beschrijft. De resultaten zijn fundamenteel voor de plantenwetenschap, maar ze zouden ooit ook een rol kunnen spelen in ons dagelijks leven. Het DYW-domein kan een handig hulpmiddel zijn voor beheersbare en locatiespecifieke C-naar-U- en U-naar-C-RNA-bewerking. Dit zou nieuwe bio-engineering en medische toepassingen kunnen openen, zoals het herprogrammeren van bepaalde mitochondriale genen zonder het nucleaire DNA van een cel te veranderen.