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.