In der vorliegenden Arbeit wurde der spezifische Einfluss verschiedener kernkodierter phagentypischer RNA Polymerasen auf die organelläre Genexpression in Physcomitrella und die mitochondrial Genexpression in Arabidopsis untersucht. Während das Fehlen von AtRpoTm in Arabidopsis und PpRpoTmp1 in P. patens lethal ist, wurden Insertionsmutanten für PpRpoTmp2 und AtRpoTmp einer detailierten Untersuchung unterzogen. Sowohl PprpoTmp2, als auch AtrpoTmp Pflanzen zeigten Abweichungen im Phänotyp charakteristisch für mitochondriale Dysfunktion. Identifizierte organelläre Promotoren in P. patens wurden zum Nachweis der Transkriptionsaktivität von PpRpoTmp1 und PpRpoTmp2 in vitro herangezogen. Beide Proteine besitzen die inhärente Fähigkeit zur Promotorerkennung ohne zusätzliche Kofaktoren. Die hier vorgestellten Studien unterstreichen die essentielle Bedeutung von AtRpoTm und PpRpoTmp1 für die Transkription mitochondrialer bzw organellärer Gene in Arabidopsis und P. patens. Im Gegensatz dazu können die Funktionen von AtRpoTmp und PpRpoTmp2 partiell durch andere organelläre RNAPs ersetzt werden. Phänotypische Abweichungen belegen jedoch, das AtRpoTmp und PpRpoTmp2 für die normale Entwicklung von Arabidosis bzw. P. patens essentiell sind. Veränderte Transkriptmengen in AtrpoTmp Pflanzen korrelierten mit genspezifischen Änderungen in der mitochondrialen Transkription. AtRpoTmp muss daher als essentiel für die normale Expression eines spezifischen Sets mitochondrialer Gene angesehen werden. Jedoch konnten für diese mitochondrialer Gene keine AtRpoTmp spezifischen Promotormotive mit reduzierter Aktivität identifiziert werden. Initiationsraten an allen Promotoren stromaufwärts von mitochondrialen Genen mit geringeren Transkriptmengen sind jedoch reduziert. Es erscheint daher wahrscheinlich, daß für einen Teil der mitochondrialen Gene genspezifische Elemente existieren, welche die Transkription durch AtRpoTmp dirigieren. / This study aimed to elucidate how the different transcriptional activities are facilitated in mitochondria of Arabidopsis thaliana and in both organelles of Physcomitrella patens. Insertional mutants for PprpoTmp2 and AtrpoTmp were analysed in detail. As for Arabidopsis RpoTm, knock-out of Physcomitrella RpoTmp1 was found to be lethal. Null mutant plants PprpoTmp2 and AtrpoTmp show surprisingly similar but clearly convergent phenotypical aberrations reminiscent of phenotypes reported for other mitochondrial mutants. Evidence is provided that PpRpoTmp1 and PpRpoTmp2 are functional RNA polymerases, which both posses the inherent ability to recognize organellar promoters in a minimal in vitro transcription system without the aid of additional cofactors. The data suggest that coding for two RpoT proteins one representing an enzyme with a high portion of non-specific transcriptional activity, as seen for AtRpoTmp and PpRpoTmp1 and one that can act as a single-polypeptide enzyme and recognize numerous mitochondrial promoters in vitro as AtRpoTm and PpRpoTmp2 echo convergent inventions but reflect complementing roles of these RNA polymerases in plant mitochondrial transcription. Phenotypical aberrations of rpoTmp2 plants suggest RpoTmp2 is important for normal growth and development. Altered transcript levels in AtrpoTmp were found to result from gene-specific transcriptional changes, establishing that AtRpoTmp functions in distinct transcriptional processes within mitochondria. Decreased transcription of a specific set of mitochondrial genes in AtrpoTmp was not associated with changes in the utilisation of specific promoters. Therefore AtRpoTmp function is not promoter-specific but gene-specific. This indicates that additional gene-specific elements direct the transcription of a subset of mitochondrial genes by RpoTmp.

RNA polymerase binding protein A (RbpA) was first discovered as a RNA polymerase binding protein from Streptomyces. coelicolor. It was shown to cause rifampicin tolerance to RNA polymerase in vitro and leads to basal level of rifampicin resistance in vivo. This protein is exclusively present in the actinobacteria family with the nearest neighbour in mycobacteria. When null mutant of RbpA in S. coelicolor were transformed with the rbpA gene from Mycobacterium tuberculosis the resistance level of rifampicin increased from 0.75 µgml-1 to 2 µg ml-1 suggesting analogous role of MtbRbpA (RbpA from M. tuberculosis). MsRbpA, RbpA from Mycobacterium smegmatis was found to interact with the β-subunit of RNAP and its binding location on M. smegmatis RNAP was shown to be 18 Å from the (i+1) site. MsRbpA was also shown to rescue the inhibitory effect of rifampicin in vitro. Furthermore, overexpression of MsRbpA in wild type M. smegmatis resulted in the increase in the MIC of rifampicin to 85 µg ml-1 from 20 µg ml-1, which is the MIC of rifampicin for the wild type M. smegmatis. On the other hand, MsRbpA was unable to augment transcription in the presence of rifampicin when the reaction was catalysed by rifampicin resistant RNAP. Recent reports have shown that MtbRbpA enhances the affinity σA to core RNAP thereby activates transcription. The N and C-termini of MtbRbpA interact with σA while the C-terminal region of MtbRbpA is required for the oligomerisation of MtbRbpA. However M. tuberculosis and S. coleicolor are part of same family actinobacteria, RbpA is essential for the former while it is dispensable in the later case.This work focuses on characterisation of rifampicin resistant RNAP from M. smegmatis and elaborates on the roles played by MsRbpA. These include its effect on transcription activation, transcription rescue, its role in RNAP promoter closed and open complex formation, characterisation of its site of interaction with RNAP and σA, finding critical functional residues and establishing the essentiality of MsRbpA in M. smegmatis. Chapter 1 deals with the literature survey on structure of bacterial RNAP, promoters, sigma factors, RNAP inhibitors, transcriptional activators with the emphasis on the Mycobacteria. Chapter 2 summarises the identification of the mutations in rpoB gene from the rifampicin resistant (RifR) mutant strains of M. smegmatis, purification of RNAP from these strain, determining IC50 values of these RifR RNAP for rifampicin, finding kinetic parameters for the interaction of RifR RNAP with 3-formyl rifampicin and evaluating their interaction with MsRbpA. Chapter 3 describes the function of MsRbpA in transcription initiation, particularly its role in RNAP-promoter closed and open complex formation. Furthermore, this chapter throws light on the role of MsRbpA in transcription activation vis a vis its effects on transcription rescue from the inhibitory effect of rifampicin. Chapter 4 elucidates the function of a segment of MsRbpA from Arg58 to Lys 73 in activation of transcription activity, transcription rescue from the inhibitory effect of rifampicin and its interaction with σA and core RNAP. Furthermore, the alanine scanning of the region and subsequent in vitro transcription studies revealed four important residues required for MsRbpA functions. Chapter 5 describes the generation of conditional knock down strain of MsRbpA in M. smegmatis and establishing its essentiality. Chapter 6 summarizes the work documented in the thesis.

L’intégrité de l’ADN est continuellement remise en question par divers agents endogènes et exogènes (p. ex., la lumière ultraviolette, la fumée de cigarette, la pollution de l’environnement, les dommages oxydatifs, etc.) qui causent des lésions de l’ADN qui interfèrent avec les fonctions cellulaires correctes. Le mécanisme de réparation par excision de nucléotides (NER) supprime les adduits d’ADN déformantes l’hélice tels que les lésions induites par les UV et il existe dans deux sous voies distinctes selon l’endroit où les lésions de l’ADN sont situées dans le génome. L’une de ces sous voies est directement liée à la transcription de l’ADN (TCR) par l’ARN Polymérase 2 (ARNP2). Dans la première partie de ce travail, nous avons démontré qu’un mécanisme NER entièrement compétent est également nécessaire pour la réparation de l’ADN ribosomique (ADNr), transcrite par ARN Polymérase 1 (ARNP1) et représentant 60 % de la transcription cellulaire totale. De plus, nous avons identifié et clarifié le mécanisme de deux protéines responsables du repositionnement nucléolaire dépendant des UV de l’ARNP1 et de l’ADNr observé pendant la réparation. Dans la deuxième partie de ce travail, nous avons étudié la fonctionne moléculaire de la protéine XAB2 lors de la réparation NER et nous avons démontré son implication dans le processus TCR. De plus, nous avons également montré la présence de XAB2 dans un complexe d’épissage du pré-ARNm. Enfin, nous avons décrit l’impact de XAB2 sur la mobilité de l’ARNP2 lors des premières étapes de la réparation TCR, suggérant ainsi un rôle de XAB2 dans le processus de reconnaissance des lésions / The integrity of DNA is continuously challenged by a variety of endogenous and exogenous agents (e.g. ultraviolet light, cigarette smoke, environmental pollution, oxidative damage, etc.) that cause DNA lesions which interfere with proper cellular functions. Nucleotide Excision Repair (NER) mechanism removes helix-distorting DNA adducts such as UV-induced lesions and it exists in two distinct sub-pathways depending where DNA lesions are located within the genome. One of these sub pathways is directly linked to the DNA transcription by RNA Polymerase 2 (TCR). In the first part of this work, we demonstrated that a fully proficient NER mechanism is also necessary for repair of ribosomal DNA, transcribed by RNA polymerase 1 and accounting for the 60 % of the total cellular transcription. Furthermore, we identified and clarified the mechanism of two proteins responsible for the UV-dependent nucleolar repositioning of RNAP1 and rDNA observed during repair. In the second part of this work, we studied the molecular function of the XAB2 protein during NER repair and we demonstrated its involvement in the TCR process. In addition, we also shown the presence of XAB2 in a pre-mRNA splicing complex. Finally, we described the impact of XAB2 on RNAP2 mobility during the first steps of TCR repair, thus suggesting a role of XAB2 in the lesion recognition process

RNA polymerase II (Pol II) is the enzyme responsible for the synthesis of all mRNAs in eukaryotic cells. As the central component of the eukaryotic transcription machinery, Pol II is the final target of transcription regulatory pathways. While the role for different Pol II associated proteins, co-activators and general transcription factors (GTFs) in regulation of transcription in response to different stimuli is well studied, a similar role for some subunits of the core Pol II is only now being recognized. The studies reported in this thesis address the role of the fourth largest subunit of Pol II, Rpb4, in transcription and stress response using Saccharomyces cerevisiae as the model system. Rpb4 is closely associated with another smaller subunit, Rpb7 and forms a dissociable complex (Edwards et al. 1991). The rpb4 null mutant is viable but is unable to survive at extreme temperatures (>34ºC and <12ºC) (Woychik and Young, 1989). This mutant has also been shown to be defective in activated transcription and unable to respond adequately to several stress conditions (Pillai et al. 2001; Sampath and Sadhale, 2005). In spite of wealth of available information, the exact role of Rpb4 in transcription process remains poorly understood. In the present work, we have used genetic, molecular and biochemical approaches to understand the role of Rpb4 as described in three different parts below: I. Role of Rpb4 in various pathways related to Transcription Elongation The genome-wide recruitment study of RNA pol II in presence and absence of Rpb4 has indicated role of Rpb4 in transcription elongation (Verma-Gaur et al. 2008). However, a recent proteomics based report has argued against it (Mosley et al. 2013). To address this conflict and understand Rpb4 functions, we monitored recruitment of RNA pol II on a few individual long genes in wild type and rpb4∆ cells. It was observed that RNA pol II recruitment on genes with longer coding regions is not significantly affected in rpb4∆ as compared to wild type thus ruling out role of Rpb4 in transcription elongation of these genes. However, our genetic interaction studies have shown a strong interaction (synthetic lethality) between RPB4 and the PAF1 and SPT4 genes, the products of which code for well-known transcription elongation factors. The studies based on Rpb4 overexpression in mutants for elongation factors, 6-Azauracil sensitivity of cells, effect of Dst1 overexpression in rpb4∆ cells and mitotic recombination rate in rpb4∆ cells have indicated functional interactions of Rpb4 with many of the transcription elongation factors. II. Studies on Genetic and Functional Interactions of Rpb4 with SAGA Complex in Promoter- Specific Transcription Initiation To carry out transcription, RNA pol II depends on several general transcription factors, mediators, activators, co-activators and chromatin remodeling complexes. In the present study, we explored the genetic and functional relationships between Rpb4 and the SAGA complex of transcription machinery, to gain some insight on the role of Rpb4 during transcription. Our chromatin immunoprecipitation data suggest that RNA pol II does not associate with promoters of heat shock genes during transcription activation of these heat stress induced genes in absence of Rpb4. SAGA coactivator complex is required for RNA pol II recruitment and transcription activation of these genes (Zanton and Pugh, 2004). However, recruitment of the SAGA complex at promoters of these heat shock genes was not affected in rpb4∆ cells after heat stress. Our genetic interaction analysis between RPB4 and components of SAGA complex (spt20∆) showed synthetic lethality indicating that fully functional Rpb4 and SAGA complex are required for cellular functions in the absence of heat stress and the simultaneous deletion of factors in the two complexes leads to cell death. III. Role of Rpb4 in phosphorylation cycles of Rpb1-CTD The C-Terminal Domain (CTD) of Rpb1 protein of RNA pol II undergoes several rounds of phosphorylation cycles at Ser-2 and Ser-5 residues on its heptad repeats during transcription. These phosphorylation marks are to be erased before the start of next round of transcription. Using protein pull down assay, we observed that hyperphosphorylated form of Rpb1 is reduced in rpb4∆ as compared to that seen in wild type cells among the free RNA pol II molecules. The level of Rpb2 protein was unaffected in both wild type and rpb4∆. These preliminary data hints at role of Rpb4 in the regulation of Rpb1 phosphorylation.

Thema dieser Arbeit ist die evolutive Optimierung der T7-RNA-Polymerase. Zur Stabilisierung technischer oder therapeutischer RNA-Moleküle gegenüber RNAsen wäre es wünschenswert eine RNA-Polymerase zu generieren, welche RNA vollständig aus 2’- modifizierten Nucleotiden synthetisieren kann. Zu diesem Zweck wurde ein kombiniertes Selektions- und Screeningverfahren zur Durchmusterung von Variantenbibliotheken der T7- RNA-Polymerase hinsichtlich des Einbaus von 2’-Methoxy-modifizierten Nucleotiden in RNA entwickelt. Es wurden ein gut handhabbarer, cis-regulierter Expressionsvektor sowie ein Selektionsplasmid erzeugt, die zusammen in E. coli ein in-vivo-Selektionssystem bilden, mit dessen Hilfe man Zellen, welche T7-RNA-Polymerase-Aktivität zeigen anhand ihrer grünen Fluoreszenz identifizieren konnte. Durch error-prone PCR wurden Mutantenbibliotheken generiert, und diese in das Selektionssystem eingesetzt. So konnte die Anzahl der potentiell zu testenden Varianten erheblich gesenkt werden. Zur Bestimmung der T7-RNA-Polymerase- Aktivität mit 2’-Methoxy-modifizierten Nucleotiden wurde ein Fluoreszenz-basierendes Assay etabliert. Dieses Assay, das nicht mit radioaktiv-markierten Nucleotiden arbeitete und keinen gelelektrophoretischen Separationsschritt benötigte, konnte in allen Schritten zur parallelen Bearbeitung von 96 Proben in einem Mikrotiterplatten-Format angepasst werden, so dass es prinzipiell hochdurchsatzfähig war und sich zum Screening umfangreicher Variantenbibliotheken eignete. Die Assay-Reaktion kann dabei auch unkompliziert auf ein Screening von RNA- oder DNA-Polymerase-Bibliotheken hinsichtlich anderer Eigenschaften der Polymerase-Aktivität übertragen werden.

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.

Enhancer regulieren die Transkription ihrer Zielgene und deren Expression. Sie bieten eine Bindestelle für verschiedenste Transkriptionsfaktoren (TF) und RNA Polymerase II (RNAPII) und unterstützen die Gentranskription durch das Zustandekommen von Chromatinkontakten. Zusätzlich transkribiert RNAPII in Enhancer-Regionen kurze, non-polyadenylierte Transkripte, die man Enhancer-RNA (eRNA) nennt. Der Mechanismus der RNAPII-Rekrutierung und –Regulation an Enhancern ist bisher wenig verstanden, insbesondere wie das Vorhandensein von RNAPII-Modifikationen den Chromatinstatus, -faltung sowie die Genaktivierung beeinflusst. In dieser Arbeit wurden verschiedene Ansätze der Enhancer-Bestimmung miteinander verglichen. Während eine klare Bestimmung des besten Ansatzes sich als komplex erwies, konnte gezeigt werden, dass die Bindung von RNAPII an regulatorische Regionen in Zusammenhang mit TF eine universelle Konstante darstellte. Weiterhin wurden der Status der Enhancer-gekoppelten RNAPII-Aktivierung und deren Transkriptionsaktivität untersucht. Als Hauptergebnis ergab sich, dass der RNAPII-Status mit der Enhancer-Aktivität und daraus folgend mit veränderter Transkriptionsaktivität korreliert ist. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass das Vorhandensein extragenischer RNAPII ein neues Werkzeug zur Identifikation von regulatorischen Regionen ist. Erfolgreich konnten regulatorische Regionen in embryonalen Stammzellen der Maus sowie während der neuronalen Differenzierung vorhergesagt und mittels Enhancer-Aktivität in-vivo bestätigt werden. Dabei zeigte sich, dass im Laufe der der neuronalen Differenzierung extragenische RNAPII-Bindung spezifische Aktivierungsmuster aufweist: ihr Transkriptionslevel wird durch Kinasen feinmaschig reguliert und es werden verschiedene Formen maturierter RNA erzeugt. Zusammenfassend konnte RNAPII als Werkzeug zur Identifikation und Charakterisierung regulatorischer Regionen in verschiedenen Zelltypen ausgemacht werden. Selbst mit minimalen RNAPII-Datensätzen ist es möglich, gleichzeitig regulatorische Regionen zu identifizieren als auch ihren eigenen Aktivierungsstatus sowie den ihrer kodierender Genpromotoren zu bestimmen. / Enhancers regulate transcription of target genes and gene expression. They act as recruitment sites for multiple transcription factors (TFs) and RNA polymerase II (RNAPII) and favour transcription of target genes through chromatin contacts. RNAPII at enhancer regions transcribes short and mostly non-polyadenylated transcripts, called enhancer RNAs (eRNAs). The mechanisms of RNAPII recruitment and regulation at enhancers remain ill understood, in particular how signalling through RNAPII modifications may influence chromatin states, looping and gene activation. In this study, I compare enhancer lists defined with different approaches and find that their relation is very complex. However, I find that RNAPII binding co-occurs with TF binding at regulatory regions, independently of the identification approach used. I characterize the state of RNAPII activation at enhancers and its transcriptional activity. I find that RNAPII state reflects enhancer activation state and correlates with different transcriptional outputs. In addition, I demonstrate that extragenic RNAPII is a novel tool to identify regulatory regions. I successfully identified putative regulatory regions in mESC and during neuronal differentiation, with enhancer activity in vivo. Extragenic RNAPII regions have specific activation patterns during neuronal differentiation, are finely regulated at the transcriptional level by kinases and transcribe differently mature RNAs. In conclusion, I establish RNAPII as a tool to identify and characterise regulatory regions in a cell type of interest. With minimal RNAPII datasets it is possible to simultaneously identify regulatory regions, infer their state of activation, and the state of activation of coding gene promoters.

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.

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.

Tombusviruses are single, positive strand RNA viruses of plants, often associated with parasitic defective interfering (DI) RNAs. Two viral- coded gene products, namely p33 and p92, are required for tombusvirus replication. The overlapping domains of p33 and p92 contain an arginine/proline-rich (RPR) RNA binding motif. In this study, the role of RPR motif and viral RNA in tombusvirus replication and recombination, as well as involvement of viral RNA in tombusvirus replicase assembly was examined. Using site-directed mutagenesis I generated a series of RPR mutants of Cucumber necrosis tombusvirus (CNV). Analysis of RPR mutants defined that wild type RPR motif, especially two of the four arginines, were required for efficient RNA binding in vitro, for replication of tombusviruses, their associated DI RNAs, subgenomic (sg)RNA synthesis and DI RNA recombination in vivo. Experiments using a two-component tombusvirus replication system showed that RPR motif is critical for functions of both p33 and p92 in replication, but its role in these proteins might not be identical. Recombination studies using a novel tombusvirus three-component system revealed that mutations in RPR motif of p33 replicase protein resulted in an altered viral RNA recombination rate. Identified DI RNA recombinants were mostly imprecise, with recombination sites clustered around a replication enchancer and an additional putative cis-acting element that might facilitate the template switching events by the tombusvirus replicase. To study the role of RNA during the assembly of functional tombusvirus replicase, recombinant CNV replicase that showed similar properties to plant-derived CNV replicase was purified from Saccharomyces cerevisiae. When in addition to p33 and p92 proteins DI RNA was co-expressed in yeast cells, the isolated replicase activity was increased ~40 fold. Further studies defined RNA motifs within two short DI RNA regions that enhanced active CNV replicase formation. In summary, this study showed that the conserved RNA binding motif of the tombusvirus replicase proteins and viral RNA are involved in replicase assembly, viral RNA replication, subgenomic RNA synthesis and RNA recombination. This data shed new light on the complex roles of the viral elements in replication, and will help future studies aimed at interfering with viral infections.