Christian Heubeck

• Ribonuklease P (RNaseP) ist eine essentielle Endonuklease, welche die 5'-Flanke von pre-tRNAs entfernt. In nahezu allen bisher untersuchten Organismen und Organellen besteht das Holoenzym aus einer RNA-Untereinheit und einer Protein-Komponente. Nur die Zusammensetzung des Enzyms in den Chloroplasten und Mitochochondrien mehrzelliger Eukaryonten scheint unklar. Eine RNA-Untereinheit konnte hier bis jetzt nicht nachgewiesen werden. Um den Aufbau der RNaseP aus photosynthetischen Organellen zu klären, wurde die RNaseP ausRibonuklease P (RNaseP) ist eine essentielle Endonuklease, welche die 5'-Flanke von pre-tRNAs entfernt. In nahezu allen bisher untersuchten Organismen und Organellen besteht das Holoenzym aus einer RNA-Untereinheit und einer Protein-Komponente. Nur die Zusammensetzung des Enzyms in den Chloroplasten und Mitochochondrien mehrzelliger Eukaryonten scheint unklar. Eine RNA-Untereinheit konnte hier bis jetzt nicht nachgewiesen werden. Um den Aufbau der RNaseP aus photosynthetischen Organellen zu klären, wurde die RNaseP aus den Cyanellen von Cyanophora paradoxa untersucht. Das Enzym enthält eine RNA, welche im Gegensatz zu bakteriellen RNaseP-RNAs nicht in der Lage ist, die pre-tRNA-Prozessierung unter invitro-Bedingungen durchzuführen, obwohl sie eindeutig dem cy- anobakteriellen Strukturtyp zugeordnet werden kann. Die Cyanellen-RNaseP-RNA aus C.paradoxa kann mit rekombinanten cyanobakteriellen RNaseP-Proteinen zum katalytisch aktiven Holoenzym rekonstituiert werden. Das Einführen der hochkonservierten Nukleotide G22 und G213 in die Cyanellen-RNaseP-RNA führt nicht zu signifikanten Unterschieden im Prozessierungsverhalten des heterologen Holoenzyms. Durch Mutationsanalyse einer cyanobakteriellen RNaseP-RNA an den entsprechenden Positionen wurde gezeigt, dass diese Konsensus-Nukleotide keinen essentiellen Einfluss auf die Katalyse ausüben. Die funktionelle Charakterisierung der RNaseP-RNA aus den Cyanellen von G. nostochinearum bestätigt die Ergebnisse für C.paradoxa. Die RNA besitzt keine Ribozym-Aktivität und kann mit cyanobakteriellen RNaseP-Proteinen zum aktiven Holoenzym rekonstituiert werden. Um zu klären, ob die fehlende Ribozym-Aktivität der Cyanellen-RNaseP-RNAs auf das Fehlen der Fähigkeit zur Substratbindung zurückzuführen ist, wurden zirkular permutierte Cyanellen-RNase P-RNAs mit kovalent verknüpften pre-tRNAs konstruiert. Entsprechende Transkripte weisen keine Ribozymaktivität auf, können aber mit cyanobakteriellem RNaseP-Protein zum aktiven Komplex rekonstituiert werden. Die Reaktion läuft intramolekular, da die Prozessierungsreaktion mit zirkular permutierten Konstrukten nicht durch reife tRNAs gehemmt wird. Zur Identifizierung der Protein-Untereinheit(en) aus Cyanellen-RNaseP wurden polyklonale Antikörper gegen das rekombinate RNaseP-Protein aus dem Cyanobakterium Synechocystis PCC 6803 gewonnen. Immunoblots zeigen spezifische Signale im homologen und im Cyanellen-Extrakt, jedoch keinerlei Bindung des RNase P Proteins aus E. coli. Die hohe Spezifität der Antikörper für ein Cyanellen-RNase P-Protein konnte durch Immunopräzipitations-Experimente bestätigt werden. Da im vollständig sequenzierten Cyanellen-Genom keine zu RNaseP-Proteinen homologe Sequenz identifiziert werden kann, muss das Cyanellen RNaseP-Protein im Kern codiert sein. Um die Proteinkomponente der Cyanellen-RNase P zu klonieren, wurde eine cDNA-Expressionsbank für Cyanophora paradoxa angelegt. Versuche zum Immuno-Screening wurden aufgrund eines schlechten Signal:Hintergrund-Verhältnisses nicht weiter verfolgt. Durch Screening der cDNA-Expressionsbank mit Cyanellen-RNaseP-RNA konnten zwei Cyanophora-Proteine mit hoher Homologie zu eukaryontischen RNA-bindenden Proteinen identifiziert werden. Das Molekulargewicht des C.paradoxa-Holoenzyms wurde durch Ultrazentrifugation im Glyceringradienten zu etwa 280kD bestimmt. RNaseP-Aktivität und RNaseP-RNA-Untereinheit korrelieren im Gradienten mit einem 30kD-Protein, welches im Immunoblot mit cyanobakteriellen RNaseP-Protein-Antikörpern spezifisch erkannt wird. Das Cyanellen-Holoenzym zeigt in wesentlichen Merkmalen eine Übereinstimmung mit eukaryontischer RNaseP. Dennoch scheint die katalytische Aktivität in der RNA-Untereinheit lokalisiert zu sein, da die native, relativ große Cyanellen-Protein-Untereinheit ohne Funktionsverlust gegen sehr viel kleinere cyanobakterielle Protein-Untereinheiten ausgetauscht werden kann. Die Protein-Komponente der Cyanellen RNaseP scheint deshalb trotz ihrer Größenzunahme im Vergleich zu ihren evolutiven, bakteriellen Vorfahren, keine weiteren essentiellen Aufgaben übernommen zu haben. Eukaryontische RNaseP ist aus bis zu zehn Protein-Untereinheiten aufgebaut. Durch Genom-Analyse konnte in Arabidopsis thaliana das potentielle RNaseP-Protein Pop1 identifiziert werden. Mit der experimentell bestätigten Identität dieses Proteins wurde erstmals ein RNaseP-Protein aus A.thaliana eindeutig identifiziert. Durch spezifische Antikörper gegen dieses Protein kann RNaseP-Aktivität aus Weizen-Extrakt präzipitiert werden.…
• The essential tRNA-processing enzyme ribonucleaseP (RNaseP) is a striking example for evolution of an RNP enzyme. It is a ribonucleoprotein in bacteria, archea, and eukaryotic nuclei. No RNA component is found in mitochondria and chloroplasts of multicellular organisms to date, posing the question of enzyme evolution in these organelles of bacterial descent. The plastids (cyanelles) of some primitive algae, such as Cyanophora paradoxa and Glaucocystis nostochinearum, are intermediates in the evolution from cyanobacteria toThe essential tRNA-processing enzyme ribonucleaseP (RNaseP) is a striking example for evolution of an RNP enzyme. It is a ribonucleoprotein in bacteria, archea, and eukaryotic nuclei. No RNA component is found in mitochondria and chloroplasts of multicellular organisms to date, posing the question of enzyme evolution in these organelles of bacterial descent. The plastids (cyanelles) of some primitive algae, such as Cyanophora paradoxa and Glaucocystis nostochinearum, are intermediates in the evolution from cyanobacteria to chloroplasts and are an ideal model system to study the evolution of structure and function of RNaseP from organelles. C.paradoxa RNaseP has an essential RNA component which conforms to the bacterial consensus except for two highly conserved positions. The naked RNA has no ribozyme activity. Recombinant RNaseP-proteins from different cyanbacteria can form an active chimaeric holoenzyme with the catalytically inactive cyanelle RNaseP-RNA.Restoration of the bacterial consensus does not increase substrate turnover in the corresponding heterologous holoenzyme. Mutational analysis of cyanobacterial RNaseP-RNA ribozyme proved that these two consensus nucleotides have no essential influence on catalysis. The results for C.paradoxa RNaseP-RNA could be confirmed by analysis of G. nostochinearum RNaseP-RNA. This RNA can form an active holoenzyme with cyanobacterial RNaseP proteins, but shows no ribozyme activity either. To establish whether the lack of substrate binding ability is the reason for the missing ribozyme activity of cyanelle RNaseP-RNA, circularly permuted RNaseP-RNAs were designed in which the RNaseP-RNA is covalently linked to pre-tRNA substrates with variable flank lengths. Corresponding transcripts showed no ribozyme activity, but coudl be reconstituted with cyanobacterial protein. Cleavage of these tethered substrates is not inhibited by an excess of mature tRNAs, proving that it is an intramolecular reaction. To facilitate identification of cyanelle RNase P protein(s), polyclonal antibodies were generated against the recombinant cyanobacterial RNaseP-protein from the cyanobacterium Synechocystis PCC6803 Immunoblots show specific signals in homologous and cyanelle extracts, but no binding of E. coli RNase P protein. The high specificity of these antibodies is supported by immunoprecipitation of RNaseP activity from the same preparation. As no sequence similarity to bacterial-type RNaseP proteins can be identified in the cyanelle genome, this RNaseP protein must be encoded in the nucleus or is of a completely new type. With the aim of isolating the cyanelle RNaseP protein subunit, a C.paradoxa cDNA-expression-library was constructed. Due to a poor signal-to-background ratio, immuno-screening experiments were not embarked on. Screening the expression library using labelled cyanelle RNaseP-RNA resulted in cDNAs for two cyanelle proteins showing significant homology to eukaryotic RNA binding proteins. The molecular weight of the cyanelle holoenzyme was determinated to 280kD by ultrazentrifugation in glycerol gradients. RNaseP activity and the RNaseP-RNA subunit correlate with a 30kD-protein, which is specifically recognised in immunoblots by antibodies against cyanobacterial RNaseP protein. Although the overall composition of cyanelle RNaseP seems more similar to the eukaryote- than to the bacterial-type enzymes, the catalytic activity still seems to reside in the RNA subunit as the sizeable protein complement of the native cyanelle RNaseP can be functionally replaced by the much smaller cyanobacterial protein subunit. Therefore it can be concluded that the cyanelle protein subunit has not gained significant additional functions if compared to its bacterial ancestor. Eukaryotic nuclear RNaseP is composed of one RNA and up to ten protein subunits. Genomic analysis of A.thaliana revealed at least five protein subunits similar to those found in humans und yeast. Antibodies against the Pop1p-homolog from A.thaliana specifically recognize a single protein in a variety of plant species and can immunoprecipitate RNaseP activity from a wheat germ preparation. Thus, ATPOP1p is the first known RNaseP-protein of A.thaliana which has been verified by direct experimental evidence. The antibodies specific for this protein will facilitate the purification of RNaseP from wheat extracts.…