cpRNPs (chloroplastidäre Ribonukleoproteine) sind kernkodierte RNA-Bindeproteine, die jeweils zwei RRM (RNA recognition motif)-Domänen besitzen und in die Chloroplasten höherer Landpflanzen importiert werden. Die Mitwirkung dieser Proteine an der Reifung plastidärer mRNAs in vitro, ihre bemerkenswert hohe Abundanz sowie die Beeinflussung ihrer Funktion durch lichtabhängige posttranslationale Modifikationen weisen auf eine bedeutende Rolle der cpRNPs in der Regulierung der plastidären Genexpression hin. In dieser Arbeit erfolgte erstmals eine Analyse der in vivo bestehenden Interaktionen zwischen cpRNPs und RNA im Stroma von Chloroplasten mittels RIP-Chip-Analysen. Es konnte gezeigt werden, dass ein Großteil der plastidären mRNA-Spezies mit CP31A und CP29A kopräzipitiert. Neben der mehrheitlichen Überlappung der RNA-Interaktionen konnten spezifische Präferenzen von CP29A und CP31A für bestimmte Transkripte identifiziert werden. Um Einblicke in die molekularen Funktionen der cpRNPs zu erhalten, wurden cp29a- und cp31a- Einzel- und Doppelmutanten hinsichtlich der Akkumulation, sowie des Spleiß- und Edierungsstatus plastidärer mRNAs untersucht. Da unter Standard-Wachstumsbedingungen lediglich wenige milde Defekte innerhalb der mRNA-Reifung in den Mutanten detektiert wurden, erfolgten weitere Analysen unter Kältestress-Bedingungen, die zu einer Induktion der CP29A-Expression und zu dem Ausbleichen junger Blattgewebe in cp29a- und cp31a-Mutanten führten. In diesen chlorotischen Geweben wurden reduzierte Akkumulationen plastidärer Proteine sowie PEP-abhängig transkribierter mRNAs detektiert. Darüber hinaus Prozessierungsdefekte für einige Transkripte beobachtet: Die Reifung der 23S-rRNA findet in cp29a- und cp31a-Mutanten nur eingeschränkt statt. In cp31a-Mutanten sind zudem die Prozessierung der ycf3-RNA sowie die Spaltung eines polycistronischen rpl33-Vorläufers gestört. In cp29a-Mutanten ist unter anderem die Prozessierung der rpoC1- und der ycf3-mRNA defizitär. / cpRNPs (chloroplast ribonucleoproteins) are nuclear encoded RNA-binding proteins, which contain two RRM (RNA recognition motif) domains and reside within the chloroplasts of higher land plant species. They are involved in plastid mRNA accumulation and processing in vitro. Their involvement in multiple steps of mRNA maturation and their remarkable abundance together with their regulation via posttranslational modifications identified the cpRNPs as potential central regulators of chloroplast gene expression. This work investigated the in vivo interactions of CP29A and CP31A from Arabidopsis with RNA in isolated chloroplasts via RIP-Chip. In this approach the association of both proteins with the majority of plastid mRNA species could be shown. While the interaction profiles of CP29A and CP31A were largely overlapping, also specific preferences for some transcripts were detected. To gain insights in the molecular functions of CP29A and CP31A, null mutants for one or both cpRNPs were analyzed for mRNA accumulation, splicing and editing. Since only few mild mRNA maturation defects were detected at standard growth conditions, analyses at cold stress were performed. Cold stress leads to an increase in CP29A expression and in both cp29a- and cp31a single- and double mutants a bleaching of young leaf tissue was observed. The chlorotic tissues showed a strong decrease in plastid protein accumulation accompanied by reduced levels of PEP-dependent transcripts. In addition some processing defects were observed: The maturation of the 23S-rRNA was reduced in cp29a- and cp31a mutants. In addition the processing of the ycf3-mRNA and a polycistronic rpl33 transcript were defective in cp31a mutants. In cp29a mutants processing defects within the rpoC1- and the ycf3-mRNA were detected.

Die chloroplastidäre und mitochondriale Genexpression ist abhängig von einer großen Anzahl an RNA-Bindeproteinen (RBPs). Eine besonders abundante Familie sind die chloroplastidären Ribonukleoproteine (cpRNPs). Während Ziel-RNAs mehrerer cpRNPs und die Phänotypen entsprechender Mutanten beschrieben wurden, bleibt ihre molekulare Funktion weitgehend ungeklärt. In dieser Arbeit wurden Studien der cp29a Mutante durch genomweite Analysen erweitert. Diese legen nahe, dass die eigentliche Rolle von CP29A in phänotypisch erkennbarem Mutanten-Gewebe durch sekundäre Defekte maskiert wird. Um primäre Defekte zu identifizieren, wurden in vivo Bindestellen von CP29A mit einer neuen Chloroplasten-adaptierten Methode, die UV-Licht zur Quervernetzungen nutzt, bestimmt. Transkripte, die für Untereinheiten des Photosystem II und des Cytochrom-b6f-Komplexes kodieren, waren unter den Zielen von CP29A überrepräsentiert. Weiterhin wurden mehrere Bindestellen in Nachbarschaft zu Bindestellen von PPR-Proteinen identifiziert. Mit einer alternativen Methode, die chemische Quervernetzung nutzt, wurden Ziel-RNAs eines weiteren cpRNP, CP31A, identifiziert. Transkripte, die für Untereinheiten des NADH-Dehydrogenase Komplexes kodieren, waren überrepräsentiert. Diese Daten führten zu einer neuen Hypothese, die die Funktion von cpRNPs im Zusammenspiel mit PPR-Proteinen in der Prozessierung funktionell verwandter RNAs postuliert. Ein weiterer für die Genexpression relevanter Mechanismus ist die Bildung membranloser Kompartimente durch flüssig-flüssig Phasentrennung. Es wurde eine in silico Analyse durchgeführt, um organelläre Proteine mit Domänen, die auf flüssig-flüssig Phasentrennung hindeuten, zu identifizieren. Funktionen mit Bezug zu Genexpression, insbesondere RNA-Edierung, waren bei diesen Proteinen mit Prionen-ähnlichen Domänen (PLDs) überrepräsentiert. Zwei Kandidaten wurden auf ihre Neigung zur flüssig-flüssig Phasentrennung durch in vitro Experimente und in vivo Mikroskopie untersucht. / Gene expression in chloroplasts and mitochondria relies on a large number of RNA-binding proteins (RBPs), which are involved in the processing of polycistronic precursor transcripts. A particular abundant family are the chloroplast ribonucleoproteins (cpRNPs). While target RNAs and mutant phenotypes of several cpRNPs were described, insights on their molecular function remained sparse. In this thesis, analyses of cp29a mutants were extended by genome-wide transcriptome data, which suggest that in phenotypically noticeable mutant tissue the actual role of CP29A might be masked by secondary effects. To identify primary defects, in vivo binding sites of CP29A on its target transcripts were determined using a novel chloroplast-adapted approach using crosslinking by UV-light. Identified targets of CP29A are functionally enriched in mRNAs encoding subunits of the photosystem II and the cytochrome b6f complex. Moreover, several binding sites were identified in close proximity to characterized binding sites of PPR proteins. Using an alternative approach, employing chemical crosslinking, targets of another cpRNP, CP31A, were identified. Targets are enriched in genes encoding subunits of the NADH-like dehydrogenase complex. In combination, these data led to a novel hypothesis on the molecular function of cpRNPs working together with PPR proteins in the processing of functionally related RNAs. Another increasingly recognized mechanism in gene expression is the formation of membraneless organelles by liquid-liquid phase separation. An in silico screen for organellar proteins containing domains indicative of phase separation was performed. The identified set of proteins with prion-like domains (PLDs) is enriched in functions related to gene expression, particularly RNA-editing. Two selected candidate proteins were characterized for their propensity to undergo phase separation by in vitro phase separation assays and in vivo microscopy.

Plastiden enthalten ihr eigenes Genom, das u.a. für Untereinheiten des photosynthetischen Apparates kodiert. Die Expression dieses Apparates wird hauptsächlich posttranskriptionell reguliert. Dafür notwendige Faktoren sind vor allem RNA-Bindeproteine, welche fast ausschließlich kernkodiert und posttranslational in die Plastiden importiert werden. Dazu gehören auch die äußerst abundanten chloroplastidären Ribonukleoproteine (cpRNPs). Die bisher näher untersuchten Mitglieder der cpRNP-Familie aus Arabidopsis thaliana sind an der Prozessierung und Stabilisierung von plastidären Transkripten beteiligt und phylogenetisch eng miteinander verwandt. In dieser Studie wurden zwei noch unbekannte Mitglieder der cpRNP Familie, CP33A und CP33B, näher untersucht. CP33A ist ein essentielles Protein der Chloroplastenbiogenese. Mutanten von CP33A keimen nur in der Gegenwart einer externen Kohlenstoffquelle. Die Blätter sind albinotisch, in ihrer Struktur anomal und das gesamte Wachstum ist stark eingeschränkt. Untersuchungen der RNA-Interaktionspartner von CP33A durch RIP-Chip-Analysen (RNA-Immunopräzipitation und Chip-Hybridisierung) zeigen, dass CP33A mit allen mRNAs assoziiert. Des Weiteren führt der Verlust von CP33A zu einer starken Reduktion vieler Transkripte, vor allem RNAs, die durch die plastidär kodierte RNA Polymerase (PEP) transkribiert werden und unprozessierte Vorläufer-Transkripte. CP33B interagiert ebenfalls mit multiplen plastidären RNAs. Dabei zeigt CP33B eine Präferenz für psbA. Feinkartierung der CP33B-Bindung innerhalb des psbA Leserahmens verdeutlichten, dass CP33B vor allem mit dem 3´Ende des Transkriptes interagiert. Phänotypische und genetische Untersuchungen der cp33b-Nullmutante ließen keinen vom Wildtyp abweichenden Phänotyp identifizieren und zeigten dass CP33B keinen essentiellen Einfluss auf die Proteinakkumulation photosynthetischer Untereinheiten, die Expression plastidärer Transkripte, das Spleißen und die Edierung seiner Ziel-RNAs hat. / Plastids harbour their own genome, which encodes for essential subunits of the photosynthetic apparatus. The expression of these subunits is mainly regulated on the posttranscriptional level. The important factors for posttranscriptional processing are RNA-binding proteins (RBPs), which are almost exclusively nuclear-encoded and imported posttranslational into the plastids. Among them are the chloroplast ribonucleoproteins (cpRNPs). The cpRNPs are a family of highly abundant RNA-binding proteins found in the chloroplast of land plants. Members of the Arabidopsis thaliana cpRNP family, that have been investigated in more detail, are involved in processing and stabilization of plastid transcripts and are phylogenetically closely related. In this study two unknown members of the cpRNPs, CP33A and CP33B, which cluster outside of this phylogenetic group, are investigated. CP33A is essential for chloroplast biogenesis. Null alleles of CP33A only germinate in the presence of an external carbon source. cp33a seedlings are albino, show strong growth inhibition and an abnormal leaf structure. Investigating RNA-ligands of CP33A using RIP-Chip (coimmunoprecipitation coupled to microarray analysis) shows an association with all chloroplast mRNAs. The loss of CP33A leads to a reduction of almost all transcripts, predominantly affecting RNAs transcribed by the plastid-encoded RNA polymerase (PEP) and unspliced and unprocessed precursor mRNAs. CP33B also interacts with multiple plastid RNAs. The main target is the mRNA of psbA. More than 90% of the stromal psbA mRNA is associated with CP33B. Fine mapping efforts suggest that CP33B preferentially interacts with the 3’-end of the psbA reading frame. Phenotypic and genetic analyses of cp33b-null mutants do not show any differences compared to wild-type plants. CP33B has no essential impact on: Protein accumulation of photosynthetic subunits, expression of plastid transcripts, RNA-splicing or RNA-editing of its target RNAs.

Der Abbau des Chlorophyll (Chl) ist ein Prozess, der typischerweise während der Blattseneszenz und der Reifung von Früchten und Samen stattfindet. Eine Störung dieses koordinierten Prozesses unter Frostbedingungen verzögert den Chl-Abbau und ist ein grosses Hindernis bei der Herstellung von hochwertigem Rapsöl. Der Abbau von Chl zu farblosen Kataboliten erfolgt in einer Serie von enzymatischen Schritten und wird durch die Chlorophyllase begonnen (Chlase). Es wurde vorgeschlagen, dass ein wasserlösliches Chl Protein (WSCP) den Transport des Chl von der Thylakoidmembran zum Wirkort der Chlase übernimmt. Weiterhin wurde angenommen, dass die Steigerungen der Genexpressionen dieser frühen Schritte den Prozess des Chl-Abbaus beschleunigen. In der vorliegenden Arbeit werden die Auswirkungen der Überexpression der Chlase aus Citrus clementii (CcCHLASE) und von WSCP aus Blumenkohl (Cau-WSCP) in transgenen Tabakpflanzen analysiert. Dazu wurde die cDNA Sequenz der CcCHLASE in E. coli exprimiert und mittels in vitro Experimenten die Hydrolysierung von Chl durch die Chlase bestätigt. Anschließend wurden CcCHLASE exprimierende Tabakmutanten generiert und drei T1-Linien wurden unter verschiedenen Stress- und Seneszenzbedingungen untersucht. Die Chlase überexprimierenden Linien zeigten unter allen getesteten Bedingungen einen im Vergleich zum Wildtyp erhöhten Chlide a Gehalt. Trotzdem unterschied sich die Menge an Endkataboliten in diesen Mutanten nicht vom Wildtyp. Andererseits zeigten WSCP überexprimierende Linien zwar keine erhöhten Chlide a Gehalte jedoch erhöhte Protochlorophyllid-(Pchlide)-Level. Das deutet auf eine Rolle des WSCP als Speichermolekül für Chlorophyllvorstufen hin. Die photoprotektive Funktion des WSCP wurde zusätzlich in WSCP überexprimierenden Linien bestätigt. Diese zeigen im Vergleich zu Wildtyp-Tabakpflanzen auch bei hohen Lichtintensitäten von 700 – 900 µmol Photonen m-2 s-1 verringerte Gehalte an Zeaxanthin und reduzierte Peroxidaseaktivitäten. / Chlorophyll (Chl) catabolism is characteristically seen during leaf senescence, fruit ripening and seed maturation. Disruption of this coordinated process under frost conditions delays Chl breakdown and is a great concern in rapeseed oil production. The present work addresses this problem by studying the effect of enhanced Chl catabolism in genetically modified tobacco plants. Chl is catabolised to colourless catabolites through a series of enzymatic reactions initiated by Chlorophyllase (Chlase). A water soluble chlorophyll protein (WSCP) has been proposed to transport Chl from thylakoid membranes to the site of action of Chlase. It was assumed that enhancing the gene expression of these early events in Chl catabolism would increase the Chl breakdown process. The present work analysed the overexpression of Chlase from Citrus clementii (CcCHLASE) and WSCP gene from cauliflower (Cau-WSCP) in modified tobacco plants. Initially, the cDNA sequence of CcCHLASE was expressed in E. coli and in vitro tests confirmed the hydrolytic activity of Chlase on Chl. Subsequently, tobacco plants overexpressing CcCHLASE were generated and three T1 lines were analysed at various stress and senescence conditions. The in vivo production of Chlorophyllide (Chlide) indicated the extent of increased Chl breakdown. The Chlase overexpressor lines showed higher Chlide a steady state levels under all tested conditions in comparison to the WT tobacco plants. However, the end catabolites did not show much difference from WT plants. On the other hand, WSCP overexpressor lines did not show any increase in Chlide a levels, but demonstrated an increased protochlorophyllide (Pchlide) levels. This suggested the role of WSCP as a storage molecule of Chl precursors. Additionally, photoprotective function of WSCP was confirmed in WSCP overexpressors, by lower zeaxanthin levels and peroxidase activity even at high light intensities of 700 – 900 µmol photons m-2 s-1 in comparison to the WT tobacco plants.

In dieser Arbeit wurde die plastidäre Genexpression hinsichtlich zweier Aspekte untersucht: der Cytokinineinfluss auf die plastidäre Transkription und ihrer Komponenten sowie eine in vivo-Charakterisierung von PrpoB-345, des Promotors des rpoB-Operons im Tabak. Cytokinine beeinflussen die Chloroplastenbiogenese und –funktion. Um den Einfluss von Cytokinin auf die plastidäre Genexpression zu untersuchen, wurden run-on-Transkriptionsassays und quantitative real-time RT-PCR von BA-behandelten seneszenten Tabakblättern und sieben-Tage-alten Arabidopsis- und Tabakpflanzen durchgeführt. Zeitreihenanalysen zeigten eine Aktivierung der plastidären Transkription in jungen Pflanzen und im seneszenten Tabak 2 h bzw. 3 h nach BA-Applikation. Abgeschnittene Blätter von Tabakmutanten mit konstitutiv reduziertem Cytokiningehalt antworteten bereits nach 30 min der Hormonbehandlung. Es gibt jedoch keinen eindeutigen Hinweis für eine direkte Korrelation zwischen der Expression der nukleär kodierten Phagentyp-RNA-Polymerasen und der BA-induzierten transkriptionellen Aktivierung der Plastidengene. Zusammengefasst, scheint die Antwort auf exogenes Cytokinin vom physiologischen Status der Chloroplasten, die von der Pflanzenart sowie vom endogenen Cytokiningehalt beeinflusst werden, abzuhängen. Plastidäre Gene höherer Pflanzen werden von mindestens zwei RNA-Polymerasen transkribiert: die plastidär kodierte RNA-Polymerase vom Bakterientyp (PEP) und die kernkodierte Phagentyp-RNA-Polymerase (NEP). NEP transkribiert das rpoB-Operon, das drei von vier Untereinheiten der PEP kodiert. Transkriptions- und Transkriptanalysen von rpoB-Promotor-Deletionsmutanten ergaben Hinweise auf mögliche Regulationsstellen der Kontrolle der rpoB-Transkription. Neben PrpoB-345 konnten zwei weitere Promotoren kartiert werden. Einer von ihnen ist ein putativer PEP-Promotor, der auf autoregulatorische Rückkopplungsmechanismen bei der PEP-Expression hindeutet. / In this study, plastid gene expression was analyzed focusing on two aspects: the effect of cytokinin on plastid gene transcription and its components, and the in vivo characterization of PrpoB-345, the promoter of the rpoB operon in tobacco. Cytokinins are involved in the control of chloroplast biogenesis and function. To study cytokinin effects on plastid gene expression, chloroplast run-on transcription and quantitative real-time RT-PCR from senescent tobacco leaves as well as Arabidopsis and tobacco seedlings after BA treatment were performed. Analyses of time series revealed that BA-induced changes in plastid gene expression are seemingly under circadian and homeostatic control. After 2 h and 3 h of incubation with cytokinin, a stimulation of chloroplast transcription could be observed in seedlings and senescent leaves, respectively. Detached leaves of tobacco mutants with reduced endogenous cytokinin content responded even faster to BA (30 min). There is no indication of direct correlation of the expression of nuclear-encoded plastid phage-type RNA-polymerases and the BA-induced transcriptional activation of plastid genes. In summary, the responsiveness to exogenous cytokinin depends on the physiological status of chloroplasts influenced by plant species and endogenous cytokinin pool. Plastid genes of higher plants are transcribed by at least two RNA polymerases: the plastid-encoded eubacterial-type RNA polymerase (PEP) and the nucleus-encoded phage-type RNA polymerase (NEP). NEP transcribes the rpoB operon encoding three of four subunits of PEP. Transcription and transcript analyses from rpoB promoter deletion mutants indicated putative regulatory sites of control of rpoB transcription which may also interact with (cytokinin-regulated) specificity factors. Beside PrpoB-345, two additional rpoB promoters could be mapped. One of them is a putative PEP promoter which may imply autoregulatory loops of PEP expression.