拟南芥MTERF家族蛋白调控叶绿体基因转录终止的分子机制

Chloroplast gene expression is crucial for photosynthesis and plant development. The mitochondrial transcription termination factor (MTERF) is a multifunction protein family, which is involved in transcription termination of mitochondrial genes. Arabidopsis contains at least 35 genes for MTERF family proteins. Of 35 MTERF proteins, 12 are plastid-localized, including the PDE191 gene, whose knocked-out mutant is albino and seedling lethal, with abnormal transcription termination of chloroplast genes,including rpoA and petD. In the present project, we will further study the PDE191 gene function and systematic analysis of the MTERF proteins regulating the transcription termination of chloroplast genes, which includes: 1) analyzing the binding sites of PDE191 on the rpoA gene with CHIP (chromosome immunoprecipitation) and EMSA((electrophoresis mobility shift assay) methods, characteristication of interacting proteins with PDE191 protein; 2) elucidating the causes of albino lethal phenotype of pde191 by rpoA expression and PEP activity analysis; 3) Identification of the downstream target genes of plastid-localized MTERF proteins in Arabidopsis, revealing the general process of transcription termination of chloroplast genes. The completion of the project will facilitate our understanding of the molecular mechanism underlying transcription termination of chloroplast genes.

叶绿体基因表达对光合作用及植物发育至关重要。动物线粒体转录终止因子（MTERF）家族是一类多功能蛋白，参与线粒体基因转录终止等过程。拟南芥MTERF家族含有35个成员，其中12个定位于叶绿体，包括PDE191，其敲除突变体呈白化致死表型，叶绿体rpoA及petD等基因转录终止异常。本项目我们将深入研究拟南芥PDE191以及其他叶绿体定位的MTERF家族蛋白的功能。具体研究内容包括: 1）利用CHIP结合EMSA技术分析PDE191与rpoA等叶绿体基因的体内外结合情况，分离与PDE191互作蛋白进一步分析PDE191调控rpoA等基因转录终止的机制；2）通过分析rpoA表达及PEP活性阐明PDE191突变导致植株白化致死原因；3）分析拟南芥叶绿体定位的MTERF家族成员各自调控的下游基因，揭示叶绿体基因转录终止调控的一般过程。该项目的完成将促进我们对叶绿体基因转录终止机制的深入理解。

叶绿体基因表达对植物光合作用及发育至关重要。在拟南芥中，部分线粒体转录终止因子(mTERF)家族成员参与叶绿体基因表达调控，然而我们对其调控机制却知之甚少。在本研究中，我们获得了拟南芥叶绿体定位的14个mTERF蛋白编码基因的T-DNA插入植株。其中mTERF6基因的T-DNA插入突变体mterf6-5呈现为白化表型，叶绿体发育异常。mTERF6蛋白定位于叶绿体中。mTERF6基因突变导致rpoA所在的多顺反子通读转录本积累增加。EMSA实验证实mTERF6可在体外结合rpoA基因3’末端下游序列。染色质免疫共沉淀分析结果显示mTERF6与其靶位点具有体内结合的特性。该结果显示mTERF6调控拟南芥叶绿体rpoA的转录终止。mTERF家族成员mTERF9的T-DNA插入突变体呈现黄化表型。蛋白免疫定位显示mTERF9定位在叶绿体基质中。qRT-PCR显示其PEP相关基因表达下调，NEP相关基因表达上调。Northern blot实验结果表明在mterf9突变体中多顺反子petD的转录本模式变化明显，含内含子的petD转录本增加。mTERF5的T-DNA插入突变体呈现黄化表型，生长缓慢。qRT-PCR结果显示mterf5突变体绝大多数NEP相关基因表达上调，PEP相关基因表达下调。RT-PCR分析显示叶绿体基因clpP的第一和第二个内含子剪接效率下调，但叶绿体RNA编辑未受影响。该结果显示mTERF5与mTERF9可能参与拟南芥叶绿体基因表达及转录后RNA加工过程。mTERF5, mTERF6与mTERF9的深入分子功能的研究有助于我们对mTERF家族蛋白调控叶绿体基因表达机理的深入理解。