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핵에서 암호화된 다양한 RNA-결합 단백질이 엽록체로 전송되어 엽록체의 전사 후 RNA 대사과정에서 중요한 역할을 함에도 불구하고, 이러한 RNA-결합 단백질의 분자적 작용 기작은 잘 알려져 있지 않다. 선행 연구에서 엽록체로 targeting되는 DEAD-box RNA helicase RH3가 엽록체 유전자의 스플라이싱 과정 중에 RNA 샤페론으로 작용한다는 사실이 보고되었다. rh3 ...

핵에서 암호화된 다양한 RNA-결합 단백질이 엽록체로 전송되어 엽록체의 전사 후 RNA 대사과정에서 중요한 역할을 함에도 불구하고, 이러한 RNA-결합 단백질의 분자적 작용 기작은 잘 알려져 있지 않다. 선행 연구에서 엽록체로 targeting되는 DEAD-box RNA helicase RH3가 엽록체 유전자의 스플라이싱 과정 중에 RNA 샤페론으로 작용한다는 사실이 보고되었다. rh3 돌연변이체는 생장이 지연되고, 엷은 녹색의 표현형을 보이며, 고-염분 및 저온 스트레스 하에서 생육이 크게 저해된다. RNA 샤페론 활성이 엽록체에서 인트론 스플라이싱 과정에 필수적인지 알아보기 위해, 애기장대, 벼, 밀에서 RNA 샤페론 활성을 갖는 것으로 밝혀진 RNA-결합 단백질을 인위적으로 야생형 애기장대와 rh3 돌연변이체의 엽록체로 전송시킨 형질전환체를 제작하였다. 공초점 레이저 형광현미경을 이용하여 단백질의 세포 내 위치를 분석한 결과, 루비스코 소 단위체에 존재한 엽록체 수송 펩타이드를 이용하여 목표 단백질들이 성공적으로 엽록체로 전송되었음을 알 수 있었다. 인위적으로 엽록체로 전송된 RNA-결합 단백질들이 식물의 생장, 발달 그리고 스트레스 반응에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위하여, cTP_AtRZ1a, cTP_OsRZ2, cTP_TaRZ2 과발현 형질전환체의 표현형을 관찰하였다. 그 결과, 정상 조건에서 cTP_AtRZ1a 와 cTP_TaRZ2의 과발현 형질전환체 유묘 생장이 억제되었고, 개화시기가 지연되었다. 다양한 비생물학적 스트레스 환경 가운데 특히 고염분 및 ABA 존재 하에서 분석한 cTP_RZ는 야생형 애기장대의 유묘 생장을 억제하였다. 정상 조건과 비생물학적 스트레스 하에서 cTP_RZ 단백질들이 RNA 샤페론으로서 기능을 할 수 있는지 알아보기 위하여, RZ 단백질을 인위적으로 rh3 돌연변이체의 엽록체로 targeting 시킨 형질전환체를 제작하여 분석하였다. 그 결과, rh3 돌연변이체의 생장 결함 표현형이 정상조건과 비생물학적 스트레스 조건 하에서 회복되지 않았으며, 돌연변이체의 엽록체 인트론 스플라이싱의 결함도 회복하지 않음을 알 수 있었다. 종합적으로, 이 결과는 엽록체로 인위적으로 전송된 RZ 단백질이 정상조건과 비생물학적 스트레스 하에서 식물의 생장과 발달에 영향을 미치지만, 엽록체에서 RNA 샤페론 기능을 대체하지는 못한다는 사실을 의미한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Despite the fact that a variety of nuclear-encoded RNA-binding proteins (RBPs) are targeted to the chloroplasts and play essential roles in post-transcriptional RNA metabolism in the chloroplasts, the precise molecular working modes of these RBPs remain largely unknown. Previous studies have reveale...

Despite the fact that a variety of nuclear-encoded RNA-binding proteins (RBPs) are targeted to the chloroplasts and play essential roles in post-transcriptional RNA metabolism in the chloroplasts, the precise molecular working modes of these RBPs remain largely unknown. Previous studies have revealed that a nuclear-encoded chloroplast-targeted DEAD-box RNA helicase RH3 function as RNA chaperones in the splicing of chloroplast genes. rh3 mutants displayed retarded growth and pale-green phenotypes. The growth of mutant plants was inhibited severely under salt or cold stress, and splicing of several intron-containing chloroplast genes was defective in the mutant plants. To further determine whether RNA chaperone activity is necessary for these processes, I tried to artificially target several RBPs harboring RNA chaperone activity, Arabidopsis thaliana AtRZ1a, rice (Oryza sativa) OsRZ2, and wheat (Triticum aestivum) TaRZ2, to the chloroplasts of Arabidopsis wild-type and rh3 mutant background. Analysis of the cellular localization of the target proteins by confocal analysis confirmed that the proteins containing the N-terminal transit peptide from rubisco small subunit are successfully targeted to chloroplasts. To examine the effects of artificial targeting of RBPs to the chloroplasts on plant growth, development, and stress responses, the phenotype of cTP_AtRZ1a, cTP_OsRZ2, and cTP_TaRZ2-overexpressing transgenic plants were observed under normal and abiotic stress conditions. Artificial targeting of AtRZ1a, OsRZ2, or TaRZ2 inhibited the seedling growth and delayed flowering of wild-type Arabidopsis under normal conditions. All cTP_RZs inhibited Arabidopsis seedling growth compared with wild-type (Col-0) in the presences of salt or ABA. To evaluate the cellular roles of cTP_RZs as an RNA chaperone under normal and stress conditions, AtRZ1a, OsRZ2, or TaRZ2 were artificially targeted to the chloroplast of the rh3 mutant. The growth-defect phenotypes of the rh3 mutant were not recovered under normal and abiotic stress conditions. In addition, the defective-splicing of several intron-containing chloroplast genes observed the rh3 mutant plants was not recovered in the transgenic plants. Taken together, these results suggest that artificial targeting of AtRZ1a, OsRZ2, or TaRZ2 to the chloroplasts affects the growth and development of Arabidopsis under normal and abiotic stress conditions, but artificial targeting of RZ proteins to the chloroplasts cannot replace the RNA chaperone activity of RH3.

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