Ein Dogma wankt
mRNAs enthalten Informationen darüber, wo sie in Proteine „übersetzt“ werden
Bei der Photosynthese wird Sonnenenergie in chemische Energie umgewandelt. Pflanzen, Algen und Cyanobakterien sind dazu in der Lage. (Bildquelle: © Anthony Rossbach / Pixabay / CC0)
Die Photosynthese findet in den sogenannten Thylakoidmembranen statt. Die dafür notwendigen Proteine werden direkt vor Ort von Ribosomen synthetisiert. Lange war unklar, woher die Ribosomen wissen, welche mRNAs an den Thylakoidmembranen in Proteine übersetzt werden müssen. Jetzt haben Forscher herausgefunden, dass die mRNAs selbst das Signal dafür enthalten.
Die Photosynthese ist ein komplexer Prozess, der auf das Zusammenspiel zahlreicher Proteine angewiesen ist. Die Photosysteme I und II, die die Lichtenergie aufnehmen und in chemische Energie umwandeln, befinden sich in den sogenannten Thylakoidmembranen. Viele Details über den genauen molekularen Aufbau der komplexen Systeme und wie die Proteine überhaupt in die Membranen eingebaut werden, sind noch nicht verstanden.
Lokalisation der mRNAs für Thylakoidmembranproteine und der Pigmente der Thylakoidmembran mit einem konfokalen Mikroskop von zwei verschiedenen Cyanobakterienstämmen: Autofluoreszenz der Pigmente der Thylakoidmembran (rot), die Signale von mRNAs (grün) sowie die Kolokalisation beider Signale (gelb).
Bildquelle: © Conrad Mullineaux
Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern unter Beteiligung von Prof. Dr. Annegret Wilde und Prof. Dr. Wolfgang Hess vom Institut für Biologie III der Universität Freiburg neue spannende Erkenntnisse gewonnen. Sie untersuchten am Cyanobakterium Synechocystis, wie es gelingt, dass die Membranproteine PsbA und PsaA direkt an der Thylakoidmembran synthetisiert und eingebaut werden. Das Team verwendete für die Untersuchungen molekulargenetische, bioinformatische und hochauflösende mikroskopische Techniken auf Einzelzellebene.
Ihr Ergebnis: Die mRNAs enthalten Informationen darüber, wo sie in der Zelle gebraucht werden. Deshalb werden sie vom Ort ihrer Entstehung im Cytoplasma bis an die Thylakoidmembran transportiert und erst dort in Proteine übersetzt. Das deutet darauf hin, dass die in der mRNA enthaltenen Signale nicht nur den Syntheseort, sondern auch den Aufbau von Photosystem-Strukturen in den Thylakoidmembranen kontrollieren.
Transkription und Translation entkoppelt
Bisher galt die Annahme, dass die Prozesse der Transkription und Translation in Bakterien gleichzeitig stattfinden. In zahlreichen Lehrbüchern finden sich Abbildungen, die zeigen, wie von der DNA eine Kopie in Form von mRNA hergestellt wird, die unmittelbar von Ribosomen in Proteine übersetzt werden. „Dieses Dogma wankt jetzt durch unsere und andere ähnliche Veröffentlichungen“, sagt Annegret Wilde. Transkription und Translation finden eben nicht immer parallel statt.
Doch wie gelangt die mRNA an den Ort, wo sie dann tatsächlich gebraucht wird? Grundsätzlich sind zwei Szenarien denkbar. Entweder wandert ein Komplex aus Ribosom und mRNA zu den Thylakoidmembranen. Oder die mRNA gelangt eigenständig zu den Thylakoidmembranen und verbindet sich erst dort mit den Ribosomen.
Cyanobakterien gelten als die evolutionären Vorläufer der pflanzlichen Chloroplasten.
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Proteine helfen beim Transport zur Thylakoidmembran
Wolfgang Hess vermutet, dass eher das zweite Szenario zutrifft. „Wir haben zeigen können, dass zwei Proteine an die mRNA binden und vermutlich am Transportprozess beteiligt sind“, erklärt der Biologe. Als sie in einer Mutante beide mRNA-Bindeproteine deaktivierten, gab es eine wesentlich schwächere Assoziation der psbA- und psaA-mRNAs mit der Thylakoidmembran.
Da Cyanobakterien als die evolutionären Vorläufer der pflanzlichen Chloroplasten gelten, besteht die Annahme, dass der hier beschriebene Prozess so ähnlich auch in den Chloroplasten abläuft. Die ForscherInnen haben daher die Hoffnung, dass ein detaillierteres Verständnis dieser molekularen Mechanismen auch zu neuen Ansätzen für die biotechnologische Optimierung der pflanzlichen Photosynthesesysteme führen könnte.
Quelle:
Mahbub, M. et al. (2020): mRNA localization, reaction centre biogenesis and thylakoid membrane targeting in cyanobacteria. In: Nature Plants 6, 1179–1191, (7. September 2020), doi: 10.1038/s41477-020-00764-2.
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Titelbild: Bei der Photosynthese wird Sonnenenergie in chemische Energie umgewandelt. Pflanzen, Algen und Cyanobakterien sind dazu in der Lage. (Bildquelle: © Anthony Rossbach / Pixabay / CC0)
