拟南芥叶绿体16S rRNA甲基化修饰的分子机制及其功能研究

The protein-synthesizing systems of chloroplasts, 70S ribosomes are often considered to be very similar to those of bacteria. Although the components of the chloroplast ribosome have been identified in the last decade, the molecular mechanisms driving biogenesis of this large and dynamic ribonucleoprotein machine remain largely elusive. The biogenesis of ribosomal subunits comprises the processing, modifying and folding of the rRNA after its transcription and its concomitant assembly with the ribosomal proteins. The rRNA methylation is ubiquitously present in both prokaryotes and eukaryotes and affects many cellular processes, however, the study on the rRNA methylation in chloroplasts is still absent. We have found the rRNA methylation is occurred in a specific site of 16S rRNA of Arabidopsis chloroplast and it is necessary for chloroplast ribosome function. On this basis, we will perform the research on the molecular mechanism and function of 16S rRNA methylation of chloroplasts in Arabidopsis. This study will advance our understanding of the molecular mechanisms of chloroplast gene expression in higher plants.

高等植物叶绿体的蛋白翻译是由70S 核糖体完成的。尽管叶绿体70S核糖体的构成已经得到了充分解析，但是对于一系列的核糖体蛋白怎样同rRNA分子有序组装这一超大的蛋白质-RNA复合物仍然知之甚少。叶绿体rRNA必需经过一系列转录后修饰过程，才能使其发生正确的构象变化，从而使其能够有效地和核糖体蛋白结合。rRNA甲基化修饰是生物界中普遍存在的一种保守的转录后修饰机制。但是，对于叶绿体内是否存在rRNA甲基化现象，完成rRNA甲基化的分子装置以及其可能的生物学功能，目前仍然缺乏研究。在本项目中，我们通过前期的工作发现叶绿体16S rRNA的一个核苷酸位点确实存在着甲基化修饰，并且这一位点的甲基化对16S rRNA的生成具有重要作用。本项目拟在已有的工作基础上，对叶绿体rRNA甲基修饰的分子机制及其对核糖体组装的作用展开系统研究，从而为深入了解高等植物叶绿体基因表达调控的机理提供新的切入点。

70S 核糖体是高等植物叶绿体蛋白翻译装置。 近年来不同生物的70S核糖体的构成以及三维结构已经得到了充分解析，但是对于核糖体这一巨大的蛋白-RNA分子装置是如何组装生成的仍然不清楚。叶绿体的核糖体RNA(rRNA)必需经过一系列转录后修饰过程，才能和核糖体蛋白正确结合，从而组装成有功能的核糖体。rRNA甲基化修饰是生物界中普遍存在的一种保守的转录后修饰机制。但是，对于叶绿体rRNA甲基化的分子机理以及其生物学功能目前仍然缺乏研究。本项目综合运用分子遗传学，生物化学以及植物生理学等技术途径，对拟南芥叶绿体rRNA甲基化的分子机理和生物学意义进行了深入研究。我们主要取得了以下重要研究进展：.1 运用正向遗传学的方法分离得到了控制16S rRNA C1352 位点核苷酸甲基化过程的叶绿体蛋白CMA.该蛋白与大肠杆菌中控制16S rRNA C1402 位点的蛋白MraW 同源。.2 生理生化结果表明CMA蛋白对叶绿体rRNA的加工以及核糖体组装过程具有重要作用。但是与大肠杆菌的MraW蛋白的功能不同，CMA并不影响叶绿体基因的翻译起始过程。.3 CMA的缺失不仅影响叶绿体的功能，还严重影响植物的发育过程。cma 突变体表现出类似生长素功能受到影响的突变体的表型.4 在cma的遗传背景下，我们筛选到了能够使cma发育缺陷表型减弱的突变体，并克隆了其基因。它编码一个定位于细胞核的F-box 蛋白FBL21。进一步研究表明FBL21参与生长素转录调控过程。在此基础上，我们提出了一个CMA-FBL21的叶绿体反向信号途径。.该项目首次对叶绿体rRNA的甲级化机理进行了深入研究，并揭示了其在植物整个发育过程中的重要作用。这些结果不仅丰富了我们对叶绿体基因表达调控以及叶绿体生物发生调控机理的认识，而且对认识叶绿体在整个植物发育过程的作用具有重要意义。