Die Transkription in Plastiden höherer Pflanzen erfolgt durch die plastidärkodierte, bakterienähnliche RNA-Polymerase PEP und die kernkodierten Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTp und RpoTmp (NEP). Da für NEP bislang keine Transkriptionsfaktoren identifiziert wurden, wurden die entsprechenden Enzyme aus A. thaliana und N. tabacum mit verschiedenen, N-terminalen Epitopen in E. coli exprimiert und für pulldown assays zur Identifikation interagierender Proteine eingesetzt. Des Weiteren wurden Epitop-markierte Tabak RpoTp und Arabidopsis RpoTp und -Tmp in vivo exprimiert und zur Co-IP verwendet. In diesen Studien wurden als potentielle Interaktionspartner von RpoTp Ycf1 und Ycf2 gefunden. Des Weiteren konnte mit 3xFLAG-RpoT-exprimierenden Arabidopsis-Mutanten gezeigt werden, dass RpoTp und -Tmp teilweise membranassoziiert sind. Außerdem wurde die duale Lokalisation der Arabidopsis RpoTmp in den Chloroplasten und Mitochondrien nachgewiesen. Mittels RIP-Chip wurden mit RpoTp assoziierte RNAs analysiert und mögliche, bisher unbekannte NEP-Transkripte gefunden. Plastidäre Haushaltsgene besitzen meist sowohl PEP- als auch NEP-Promotoren. Anhand transplastomischer Tabakpflanzen, in denen NEP-Promotoren von accD , rpoB und rrn16 gegen einen PEP-Promotor ausgetauscht bzw. durch Mutagenese ausgeschaltet wurden, sollte die Arbeitsteilung von NEP und PEP in Abhängigkeit vom Entwicklungsstadium beleuchtet werden. Dabei wurde gezeigt, dass die Transkription durch PEP für accD zu einer leichten Überexpression, für rpoB hingegen zu einer verzögerten Entwicklung und verringerten Transkriptmengen führte. Zudem wurden durch RNA-Seq die Aktivierung zusätzlicher TSSs in den Mutanten gezeigt, welche die Effekte auf RNA- und Proteinebene erklärte, und der alternative Promotor PaccD-158 identifiziert, welcher auch im Wildtyp genutzt wird. Es wird diskutiert, inwiefern die Rolle von NEP und PEP individuell für einzelne Gene in Abhängigkeit ihrer jeweiligen Funktion betrachtet werden muss. / The transcription in plastids of higher plants is accomplished by the plastid encoded, bacterial-type RNA polymerase PEP and by the nuclear encoded, phagetype RNA polymerases RpoTp and RpoTmp (NEP). As the identification of transcription factors for NEP failed so far, in this work the corresponding enzymes from A. thaliana and N. tabacum containing different, N-terminally fused epitope tags were expressed in E. coli and used for pulldown assays to identify interacting proteins. Furthermore epitope-tagged tobacco RpoTp and Arabidopsis RpoTp and -Tmp were expressed in vivo and applied for co-immunoprecipitation. In these studies Ycf1 and Ycf2 were found as potential interaction partners of RpoTp. In addition, the 3xFLAG-RpoT-expressing Arabidopsis mutants were used to show, that RpoTp and -Tmp are partly associated with the thylakoid membrane. Further, immunoblot assays confirmed the dual localization of the Arabidopsis RpoTmp in chloroplasts as well as in mitochondria. Moreover, via RIP-Chip analyses RNAs associated with RpoTp were analysed and potential new NEP transcripts were found. Most plastidial housekeeping genes possess PEP as well as NEP promoters. The division of labor between NEP and PEP according to the developmental stage was studied on the basis of transplastomic tobacco plants, in which NEP promoters of accD, rpoB and rrn16 have been exchanged with a PEP promoter or knocked out by mutagenesis. It was shown, that transcription of accD by PEP lead to a slight overexpression, but PEP-dependent transcription of rpoB led to a delayed development and decreased transcript levels. Via RNA-seq an activation of additional TSSs could be shown in the mutants, which explains the effects on RNA and protein level, and the alternative promoter PaccD-158 was identified, that is also used in the wildtype. It is discussed, how the roles and the division of labor of NEP and PEP should be considered individually for each gene according to its function.

Die Gesamtheit mitochondrialer Gene sowie ein Teil der plastidären Gene photosynthetischer Eukaryoten wird durch kernkodierte Phagentyp-RNA-Polymerasen transkribiert. In der vorliegenden Arbeit wurden unter Verwendung eines homologen in vitro-Transkriptionssystems, die spezifischen Funktionen der Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTm, RpoTp und RpoTmp aus Arabidopsis untersucht. Während RpoTmp keine Präferenz für die angebotenen Promotoren zeigte, transkribierten RpoTm und RpoTp eine überlappende Gruppe mitochondrialer und plastidärer Promotoren vielfältiger Architektur. RpoTm und RpoTp präsentierten eine Kofaktor-unabhängige Fähigkeit zur Promotorerkennung bei Angebot superhelikaler DNA-Matrizen. Eine selektive Promotornutzung sowie die Unfähigkeit zur spezifischen Transkription linearer Promotormatrizen in vitro implizieren die Assoziation zusätzlicher, in die Promotorerkennung und/oder DNA-Aufschmelzung involvierter Kofaktoren in vivo. Die in vitro-Erkennung mitochondrialer Promotoren durch eine plastidäre Phagentyp-RNA-Polymerase (und umgekehrt) sowie weitere Ähnlichkeiten der Transkriptionsapparate der Mitochondrien und Plastiden, wie die strukturelle Organisation ihrer Promotoren und die phylogenetische Herkunft ihrer kernkodierten Transkriptasen inspirierte in planta Studien zur spezifischen Transkription eines mitochondrialen Promotors in den Plastiden. Hierzu wurde die Expression des nptII-Reportergens unter Kontrolle des mitochondrialen PatpA-Promotors aus Oenothera in transplastomischen Tabakpflanzen analysiert. Die durchgeführten Studien belegen eine korrekte Transkription des mitochondrialen PatpA-Promotors durch eine plastidäre Phagentyp-RNA-Polymerase in in vitro-Transkriptionsassays sowie in transplastomischen Tabakpflanzen. Diese Resultate enthüllen weitere unerwartete Ähnlichkeiten der organellären Genexpression, die aufschlussreiche evolutionäre Einblicke erlauben und verbesserte Anwendungen zur Manipulation plastidärer Genome ermöglichen könnten. / All mitochondrial and a subset of plastidial genes of photosynthetically active eukaryotes are transcribed by nuclear-encoded, phage-type RNA polymerases. In this study, a homologous in vitro transcription system was used to define the specific functions of Arabidopsis phage-type RNA polymerases RpoTm, RpoTp and RpoTmp in organellar transcription. RpoTmp displayed no significant promoter specificity, whereas RpoTm and RpoTp were able to accurately initiate transcription from overlapping subsets of mitochondrial and plastidial promoters of diverse architecture. RpoTm and RpoTp thereby demonstrated an intrinsic capability to recognize promoters on supercoiled DNA templates without the aid of protein cofactors. A selective promoter recognition by the phage-type RNAPs in vitro and the inability to recognize promoters on linear templates imply that auxiliary factors are required for efficient initiation of transcription and/or DNA melting in vivo. Crosswise recognition of organellar promoters by the phage-type RNA polymerases in vitro as well as other similarities of the mitochondrial and plastidial transcription machineries such as promoter structures and the phylogenetic origin inspired in planta studies to investigate specific transcription of a mitochondrial promoter in plastids. Therefore, the expression of an nptII reporter gene under control of the mitochondrial PatpA promoter from Oenothera was analyzed in transplastomic tobacco plants. The data presented here demonstrate the faithful recognition of the mitochondrial PatpA promoter by a plastid RNA polymerase both in in vitro transcription assays and in transplastomic tobacco plants. These findings disclose further unexpected similarities of the organellar gene expression systems which deliver interesting evolutionary insights and might facilitate improved applications for chloroplast genome engineering.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Transkription mitochondrialer Gene durch die kernkodierten Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTm und RpoTmp der Pflanze Arabidopsis untersucht. Im Mitochondriengenom von Arabidopsis wurden f r 12 Gene Promotoren bestimmt. Diese zeigten verschiedene Sequenzelemente und wichen meist von der f r Dikotyle publizierten Konsensussequenz ab. F r die Mehrheit der Gene wurden multiple Promotoren identifiziert. Es wurden weiterhin Promotoren nachgewiesen, welche die Transkription vermutlich nicht funktioneller Sequenzen aktivieren. Architektur, Lokalisation und Nutzung mitochondrialer Promotoren implizieren eine wenig stringente Kontrolle der Transkriptionsinitiation in Arabidopsis-Mitochondrien. Zur Analyse der Funktionen von RpoTm und RpoTmp wurde ein in vitro-Transkriptionssystem entwickelt. Da RpoT-Enzyme m”glicherweise Kofaktoren ben”tigen, wurde in Arabidopsis nach Genen potentieller mitochondrialer Transkriptionsfaktoren gesucht. Als mitochondriales Protein mit Žhnlichkeit zu mtTFB, einem essentiellen Transkriptionsfaktor in Hefemitochondrien, wurde MetA identifiziert. In in vitro-Assays initiierte RpoTm an verschiedenen Promotoren die Transkription, w„hrend RpoTmp keine signifikante Promotorspezifit„t zeigte. Die spezifische Promotornutzung durch RpoTm erforderte superhelikale DNA. Weder RpoTm noch RpoTmp wurde durch MetA stimuliert. Eine mtTFB-„hnliche Funktion von MetA ist daher unwahrscheinlich. F r MetA wurde ausserdem eine engere phylogenetische Beziehung zu nukle„ren rRNA-Dimethylasen als zu mtTFB ermittelt. Die hier vorgestellten Studien belegen die Transkription mitochondrialer Gene in Arabidopsis durch RpoTm; f r RpoTmp ist eine nicht-redundante Transkriptionsfunktion denkbar. Die Kofaktor-unabh„ngige Spezifit„t von RpoTm f r verschiedene Promotoren und die wenig stringente Initiationskontrolle in vivo legen nahe, dass eine individuelle Regulation mitochondrialer Gene in Arabidopsis auf Transkriptionsebene nicht erfolgt. / Mitochondria depend on a nucleus-encoded transcription machinery to express their genome. The present study examined the transcription of mitochondrial genes by two nucleus-encoded phage-type RNA polymerases, RpoTm and RpoTmp, in the plant Arabidopsis. For selected mitochondrial genes in Arabidopsis, transcription initiation sites were determined. Most genes were found to possess multiple promoters. The identified promoters displayed diverse sequence elements and mostly deviated from a nonanucleotide consensus derived previously for dicot mitochondrial promoters. Several promoters were detected that activate transcription of presumably non-functional sequences. Promoter architecture, distribution and utilization suggest a non-stringent control of transcription initiation in Arabidopsis mitochondria. An in vitro transcription system was set up to elucidate the roles of RpoTm and RpoTmp. Since RpoT enzymes possibly require auxiliary factors, the Arabidopsis genome was screened for potential cofactors of phage-type RNA polymerases. A mitochondrial protein (MetA) with similarity to mtTFB, an essential transcription factor in yeast mitochondria, was identified. In in vitro transcription studies, RpoTm recognized various promoters whereas RpoTmp displayed no significant promoter specificity. Promoter recognition by RpoTm depended on supercoiled DNA templates. Transcription initiation by RpoTm or RpoTmp was not affected by MetA, indicating that MetA is not functionally equivalent to mtTFB. Besides, MetA was found to be more closely related to non-mitochondrial rRNA dimethylases than to mtTFB. The present study establishes RpoTm to transcribe mitochondrial genes; RpoTmp may have a non-overlapping transcriptional role in mitochondria. The cofactor-independent promoter specificity of RpoTm and the apparently non-stringent control of transcription initiation in vivo imply that mitochondrial genes in Arabidopsis may not be regulated individually at the transcriptional level.