Universiẗat, Diss., 2006--Würzburg.

In allen Retroviren, mit Ausnahme der Foamyviren (FV), wird das Pol-Protein als Gag-Pol-Fusionsprotein exprimiert. Dieser Mechanismus sichert die Inkorporation von Pol in das virale Partikel. FV unterscheiden sich in vielen Merkmalen von den Orthoretroviren, unter anderem wird das Pol-Protein von einer eigenen gespleißten mRNA translatiert. Diese von Gag unabhängige Expression führt zu der Frage nach dem Mechanismus der Pol-Inkorporation in foamyvirale Partikel. Unter Nutzung eines transienten FV-Vektor Transfektionssystems, das auf der Kotransfektion von vier separaten Expressionseinheiten zur Produktion von Gag, Pol, Env und einer Vektor-RNA beruht, konnte gezeigt werden, daß (prä)genomische RNA für die effiziente Partikelinkorporation von Pol notwendig ist. Protein-Protein-Interaktionen zwischen Pol und Gag sind deshalb nicht ausreichend für die Bildung vollständiger Viruspartikel. Im nächsten Schritt wurde untersucht, ob es möglich ist spezifische Sequenzen in der Virus-RNA zu identifizieren, die für die Inkorporation des Pol-Proteins essentiell sind. Empririsch wurden bereits zwei cis-aktive Sequenzen (CAS) identifiziert, die, zusammen mit den long terminal repeats (LTR) und benachbarten Sequenzen für die reverse Transkription und Integration, ausreichend für effizienten FV-Vektortransfer sind. Daher müssen RNA-Elemente, die für die Verpackung des Pol-Proteins nötig sind, in diesen beiden CAS liegen. Durch das Einführen von Deletionen und anschließender Analyse der Proteinzusammensetzung und des RNA-Gehaltes von Viruspartikeln, wurden die für die Pol-Inkorporation essentiellen RNA-Sequenzen identifiziert. In dieser Arbeit konnten zwei RNA-Sequenzelemente definiert werden, die für die Partikelinkorporation des Pol-Proteins notwendig sind, diese wurden PES (Pol encapsidation sequences) genannt. Keines der beiden Sequenzelemente hat einen signifikanten Einfluß auf die Verpackung der Vektor-RNA, wohingegen bereits die Deletion einer der PES zu einer signifikanten Reduktion der Pol-Verpackung führt. Eine PES, die möglicherweise nur 30 nt umfaßt, liegt unmittelbar 5’ der PBS (Nukleotide 318-345, relativ zu PFV Transkriptionsstart) und die zweite PES mit einer wahrscheinlichen Länge von 370 nt liegt in der 3’ Region des pol-Gens (Nukleotide 4980-5351). Diese Ergebnisse führen zu einem Model, in dem die (prä)genomische RNA von FV als eine Art Brückenmolekül zwischen Gag und Pol fungiert. Die RNA interagiert auf der einen Seite über die PES mit Pol und auf der anderen Seite mit Gag über die GRI-Box im carboxyterminalen Bereich des Proteins und vermittelt so die Inkorporation des Pol-Proteins in das Gag-Kapsid. Weiterhin wurden die Voraussetzungen auf Proteinebene für die Verpackung des Pol-Proteins untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, daß nur das Pol-Vorläuferprotein und weder die einzelne Reverse Transkriptase- noch die Integrase-Untereinheit in das foamyvirale Partikel verpackt wird. Die enzymatischen Aktivitäten der Protease, der Reversen Transkriptase oder der Integrase des Pol-Proteins sind für die Verpackung jedoch nicht essentiell. / In all retroviruses with the exception of foamy virus (FV), the Pol protein is expressed as a Gag-Pol precursor, which facilitates Pol incorporation into the viral particle. FVs diverge from orthoretroviruses in many ways. One of it is that the Pol protein is translated from a spliced mRNA independently of Gag. This method of expression raises the question of the mechanism of Pol incorporation into the viral particle. Using a transient FV vector transfection system based on cotransfection of four separate expression units to generate Gag, Pol, Env, and a vector RNA, it is shown that (pre)genomic RNA is required for efficient virion incorporation of Pol. Thus, protein-protein interactions of Pol with Gag are not sufficient to complete particle assembly. It is further investigated whether specific sequences on the RNA which allow for Pol protein incorporation can be identified. Two empirically identified cis-acting sequences (CAS) are, together with the long terminal repeats (LTR) and adjacent sequences required for reverse transcription and integration, sufficient to allow efficient FV vector transfer. Thus, any RNA element required for Pol protein encapsidation must be confined to these two CAS. By introducing deletions into the CAS elements and analyzing the protein compositions and RNA contents of FV particles, the RNA sequence elements required for Pol protein incorporation were identified. It is demonstrated that two distinct sequences in the RNA, which were termed Pol encapsidation sequences (PES), are required to incorporate Pol protein into the FV capsid. Neither element has any significant effect on RNA packaging. However, deletion of either PES resulted in a significant reduction in Pol encapsidation. One PES, which can be as short as 30 nt, is located just 5’ to the PBS (nucleotides 318-345 relative to PFV start of transcription) and another PES of probably 370 nt is located in the 3’ Region of the pol gen (nucleotides 4980-5351). These results lead to a model in which the (pre)genomic RNA serves as a bridging molecule for the interaction of Pol with Gag. On the one hand the RNA interacts with Pol via the PES and on the other hand with Gag via the GRI box in the carboxy terminus of Gag. This way RNA mediates encapsidation of Pol into the viral particle. Furthermore, the requirements on the protein level for encapsidating Pol protein were investigated. It is shown that only the Pol precursor, but not the individual reverse transcriptase or integrase subunits, is incorporated into FV particles. However, the enzymatic activities of the FV Pol protein are not required for encapsidation, at least as far as protease, reverse transcriptase, and integrase activities are concerned.

Thesis (doctoral)--München, 1978.

Techn. Hochsch., Diss., 2003--Aachen.

Universiẗat, Diss., 2004--Kiel.

Regensburg, Univ., Diss., 2009.

Chloroplasten höherer Pflanzen haben kleine Genome. Trotzdem ist ihre Transkriptionsmaschinerie sehr komplex. Plastidäre Gene werden von plastidenkodierten (PEP) und kernkodierten RNA-Polymerasen (NEP) transkribiert. In der vorliegenden Arbeit wurden Promotoren plastidärer Gene und Operons von Arabidopsis thaliana charakterisiert. Zur Unterscheidung zwischen NEP- und PEP-Promotoren wurden erstmals spectinomycinbehandelte, chlorophylldefiziente Arabidopsis-Pflanzen mit fehlender PEP-Aktivität verwendet. Obwohl für einige Gene auch einzelne Promotoren lokalisiert wurden, wird die Transkription der meisten plastidären Gene und Operons an multiplen Promotoren initiiert. Der Vergleich plastidärer Promotoren von Tabak und Arabidopsis zeigte eine hohe Vielfältigkeit der Promotornutzung, die möglicherweise auch in anderen höheren Pflanzen vorkommt. Dabei stellt die individuelle Promotornutzung eine speziesspezifische Kontrollmöglichkeit der plastidären Genexpression dar. Das Kerngenom von Arabidopsis beinhaltet zwei Kandidatengene der NEP, RpoTp und RpoTmp, welche Phagentyp-RNA-Polymerasen kodieren. In der vorliegenden Arbeit wurde die Wirkung veränderter RpoTp-Aktivität auf die Nutzung von NEP- und PEP-Promotoren in transgenen Arabidopsis-Pflanzen mit verminderter und fehlender RpoTp-Aktivität untersucht. Im Keimlingsstadium konnten Unterschiede in der Promotornutzung zwischen Wildtyp und Mutanten beobachtet werden. Fast alle NEP-Promotoren wurden in Pflanzen mit verringerter oder fehlender RpoTp-Aktivität genutzt. Dabei zeigten nur einige von ihnen eine geringere Aktivität, andere wiederum waren sogar verstärkt aktiv. Der starke NEP-Promotor des essentiellen ycf1 Gens wurde in jungen Keimlingen ohne funktionelle RpoTp nicht genutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass NEP gemeinsam von beiden Phagentyp-RNA-Polymerasen RpoTp und RpoTmp repräsentiert wird und dass beide sowohl eine überlappende, als auch eine spezifische Rolle in der Transkription plastidärer Gene innehaben. / Although chloroplasts of higher plants have small genomes, their transcription machinery is very complex. Plastid genes of higher plants are transcribed by the plastid-encoded plastid RNA polymerase PEP and the nuclear-encoded plastid RNA polymerases NEP. Here, promoters of plastid genes and operons have been characterized in Arabidopsis thaliana. For the first time spectinomycin-treated, chlorophyll-deficient Arabidopsis plants lacking PEP activity have been used to discriminate between NEP and PEP promoters. Although there are plastid genes that are transcribed from a single promoter, the transcription of plastid genes and operons by multiple promoters seems to be a common feature. Comparison of plastid promoters from tobacco and Arabidopsis revealed a high diversity, which my also apply to other plants. The diversity in individual promoter usage in different plants suggests that there are species-specific solutions for attaining control over gene expression in plastids. The nuclear genome of Arabidopsis contains two candidate genes for NEP transcription activity, RpoTp and RpoTmp, both coding for phage-type RNA polymerases. In this study the usage of NEP and PEP promoters has been analysed in transgenic Arabidopsis plants with reduced and lacking RpoTp activity. Differences in promoter usage between wild type and mutant plants were most obvious early in development. Nearly all NEP promoters were active in plants with low or lacking RpoTp activity, though certain promoters showed reduced or even increased usage. The strong NEP promoter of the essential ycf1 gene was not transcribed in young seedlings without functional RpoTp. These results provide evidence for NEP being represented by two phage-type RNA polymerases RpoTp and RpoTmp that have overlapping as well as specific functions in the transcription of plastid genes.

Licht und Pflanzenhormone sind essentiell für das Wachstum und die Entwicklung von Pflanzen. Es ist nur wenig darüber bekannt, wie sie die Transkription organellärer Gene beeinflussen. In Arabidopsis thaliana gibt es drei kernkodierte Phagentyp-RNA-Polymerasen (RpoT), welche für die organelläre Transkription verantwortlich sind. Diese werden in die Plastiden (RpoTp), die Mitochondrien (RpoTm) oder zu beiden Organellen (RpoTmp) transportiert. Neben den beiden kernkodierten RNA-Polymerasen (NEP) existiert in den Plastiden eine plastidärkodierte RNA-Polymerase (PEP), welche zusätzliche Sigmafaktoren zur Promotererkennung benötigt. Um die Lichtabhängigkeit der Expression der RpoT Gene sowie NEP-transkribierter Chloroplastengene zu analysieren, wurde die Akkumulation von RpoT- und rpoB-Transkripten in 7-Tage alten Keimlingen unter verschiedenen Lichtbedingungen mittels quantitativer real-time PCR untersucht. Die Änderungen in der Transkriptakkumulation deuten darauf hin, dass rote, blaue und grüne Wellenlängen die Expression der drei RpoT Gene unterschiedlich stark stimulieren. Untersuchungen an verschiedenen Lichtrezeptor-Mutanten zeigten, dass die Lichtinduktion der RpoT Genexpression überaus komplex ist und ein interagierendes Netzwerk aus multiplen Rezeptoren und Transkriptionsfaktoren an der Signalweiterleitung beteiligt ist. Das Phytohormon Cytokinin wird durch Histidin Kinase Rezeptoren (AHK) detektiert. Es gibt drei unterschiedliche Rezeptoren: AHK2, AHK3 und AHK4. Diese sind Teil eines Zwei-Komponenten-Systems, welches Signale mit Hilfe einer Phosphorylierungskette überträgt. Der Einfluss von Cytokinin auf die plastidäre Transkription wurde mit Hilfe von Cytokininrezeptor-Mutanten untersucht, um die Funktion von AHK2, AHK3 und AHK4 zu analysieren. Um weitere Informationen darüber zu erhalten, wie die plastidäre Transkription durch PEP mittels Cytokinin reguliert wird, wurden die Hormoneffekte auf die plastidäre Transkription in Sigmafaktor-Mutanten untersucht. / Light and plant hormones are essential for plant growth and development. Only little information is available about how these signals influence the transcription of organellar genes. Arabidopsis thaliana possesses three nuclear-encoded phage-type RNA polymerases (RpoT) for organellar transcription. They are imported into plastids (RpoTp), mitochondria (RpoTm), or into both organelles (RpoTmp). Besides the two nuclear-encoded plastid polymerases (NEP), plastids contain an additional plastid-encoded RNA polymerase (PEP), which needs additional sigma factors for promoter recognition. Interested in the expression of RpoT genes and NEP-transcribed plastid genes in response to light we analyzed transcript levels of RpoT and rpoB genes in 7-day-old wild-type plants under different light conditions by quantitative real-time-PCR. The observed changes in transcript accumulation indicated that red, blue, and green light differentially stimulated the expression of all three RpoT genes. Further analyses using different photoreceptor mutants showed that light induction of RpoT gene expression is surprisingly complex based on a network of multiple photoreceptors an d downstream pathways. Cytokinin signals are perceived by the histidine kinase (AHK) receptor family. There exist three different membrane-bound receptors: AHK2, AHK3 and AHK4/CRE1. These receptors are part of a two-component signaling system which transfers signals via phosphorelay mechanisms. Interested in the potential role of AHK2, AHK3 and AHK4/CRE1 in the transduction of cytokinin signals into the chloroplast, we analyzed the influence of cytokinin on plastidial transcription in receptor mutants. To gain more information on how plastid transcription by PEP is regulated by cytokinin, the influence of cytokinin in sigma factor mutants was also studied.

Innerhalb der Retroviren unterscheiden sich die Foamyviren (FV) bezüglich ihrer Proteinexpression, der Partikelmorphogenese und ihres Reproduktionszyklus deutlich von den Orthoretroviren. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei exklusive Merkmale der Foamyviren, die ungewöhnliche Struktur des Gag-Proteins und die Gag unabhängige Pol-Expression, in ihrer Auswirkung auf Morphogenese und Zusammensetzung foamyviraler Partikel untersucht. Für die Morphogenese infektiöser Partikel sind sehr unterschiedliche Mengen der Genprodukte eines Retrovirus nötig. Im Gegensatz zu den Orthoretroviren wird bei Foamyviren das Produkt des pro/pol-ORFs von einer eigenen, gespleißten mRNA translatiert. Der Gag/Pro/Pol-Gehalt in den Viruspartikeln kann folglich nicht wie bei Orthoretroviren über eine gekoppelte Translation und Inkorporation von Gag- und Gag/Pro/Pol-Fusionsproteinen reguliert werden. In dieser Arbeit wurde der Frage nach dem molekularem Verhältnis von Gag- und Pro/Pol-Proteinen in foamyviralen Partikeln nachgegangen. In den isolierten PFV Partikeln war der relative Gehalt an dem Gag-Prozessierungsprodukt p68 viermal höher als der Gehalt an dem Gag-Vorläuferprotein p71. Das Gag-Prozessierungsprodukt p68 bildet somit das Hauptstrukturelement der PFV Kapside. Weiterhin ergab sich ein Verhältnis von 16 Gag-Molekülen zu einem p85PR/RT-Molekül sowie 10 Gag-Molekülen pro p40IN-Molekül. Damit entsprach die Gag/Pol-Zusammensetzung von PFV Partikeln den stöchiometrischen Verhältnissen in orthoretroviralen Partikeln von 10 - 20 Gag-Molekülen pro Pol-Molekül. Dieses Ergebnis ist in Hinsicht auf die unterschiedlichen Synthesestrategien von Gag und Pol bei Orthoretro- und Foamyviren bemerkenswert. Basierend auf diesen Ergebnissen stellt sich für weiterführende Untersuchungen nun die Frage nach der Regulation der Gag- und Pol-Synthese bei Foamyviren. Bei Orthoretroviren setzt sich in einem Prozess der Selbstorganisation das Strukturprotein Gag autonom zu virusähnlichen Partikeln zusammen, die auch in Abwesenheit weiterer viraler Komponenten aus der Wirtszelle freigesetzt werden. Foamyviren dagegen benötigen für die Freisetzung ihrer Viruspartikel neben dem Strukturprotein obligat die Koexpression ihres Glykoproteins. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden funktionelle Abschnitte im PFV Gag-Protein eingegrenzt und charakterisiert, die eine Rolle bei der Bildung und Freisetzung der viralen Partikel spielen. Eine schrittweise Deletion des PFV Gag-Proteins vom C-Terminus her zeigte, dass die N-terminalen 300 As von PFV Gag ausreichend für die Freisetzung von partikulärem viralem Proteinmaterial sind. Die Analyse weiterer Deletionsmutanten innerhalb des N-Terminus des PFV Gag-Proteins belegte, dass die As 6 - 200 für die Bildung viraler Kapside entbehrlich sind, aber für die Interaktion mit dem viralen Glykoprotein und für eine Freisetzung der viralen Partikel aus der Wirtszelle essentiell sind. Die Substitution einzelner konservierter Aminosäuren durch Alanin zwischen As 40 - 60 blockierte die Partikelmorphogenese. Die Aminosäureabfolge dieses Proteinabschnittes zeigte eine große Ähnlichkeit mit einem zellulären Transportsignal, dass in den Gag-Proteinen von Retroviren des Typ-D-Morphogeneseweges entdeckt worden ist. Eine parallele Mutationsanalyse des FFV Gag-Proteins ließ vermuten, dass dieses Motiv wohl universell in allen FV Gag-Proteinen vorhanden ist. Weiterhin konnten Aminosäureabschnitte am unmittelbaren N-Terminus des PFV Gag-Proteins sowie zwischen As 130 - 200 eingegrenzt werden, die essentiell für die Struktur des Proteins sind und eventuell eine wichtige Funktion bei der Partikelmorphogenese erfüllen. Weitere Untersuchungen und insbesondere eine Strukturaufklärung des PFV Gag-Proteins sind nötig, um die genaue Funktion der einzelnen Proteinabschnitte zu charakterisieren.

Zusätzlich zu der eubakteriellen RNA-Polymerase (RNAP) der Plastiden sind im Zellkern von Arabidopsis thaliana drei weitere, phagentypische RNAP kodiert, die jeweils aus nur einer Einheit aufgebaut sind. Die Enzyme RpoTp und RpoTm werden in die Plastiden, bzw. die Mitochondrien transportiert, während RpoTmp in beiden Organellen zu finden ist. Um die Lichtabhängigkeit der RpoT-Gene zu untersuchen, wurde die lichtinduzierte Akkumulation ihrer Transkripte in 7-Tage alten Keimlingen, sowie 3- bzw. 9-Wochen alten Rosettenblättern mittels quantitativer real-time PCR ermittelt. Die entwicklungsabhängige Regulation der RpoT-Transkript-Akkumulation wurde außerdem während der Blattentwicklung analysiert. Zusätzlich wurde der Einfluss des circadianen Rhythmus untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Transkriptakkumulation aller drei RpoT-Gene stark lichtinduziert war und nur marginalen circadianen Schwankungen unterlag. In weiteren Versuchen mit verschiedenen Lichtrezeptor-Mutanten und unterschiedlichen Lichtqualitäten wurde der Einfluss multipler Rezeptoren auf den Prozess der Lichtinduktion gezeigt. In den Zellen höherer Pflanzen finden sich drei Genome. Die Biogenese von Chloroplasten und Mitochondrien, sowie lebenswichtige Prozesse, wie Atmung und Photosynthese setzen oftmals die Aktivität von Genen auf mindestens zwei dieser Genome voraus. Eine intrazelluläre Kommunikation zwischen den verschiedenen Genomen ist daher unumgänglich für einen funktionierenden Stoffwechsel der Pflanze. In dieser Arbeit wurde herausgestellt, dass die Zahl mitochondrialer Genkopien in photosynthetisch inaktiven Arabidopsis-Keimlingen drastisch erhöht ist. Bei der Untersuchung des DNA-Gehaltes in Proben, die Altersstufen von 2-Tage alten Keimblättern bis hin zu 37-Tage alten, seneszenten Rosettenblättern umfassten, fand sich ein deutlicher Anstieg der Kopienzahlen in älteren Rosettenblättern. Außerdem unterschieden sich die Kopienzahlen der untersuchten Gene zum Teil erheblich voneinander. / In addition to eubacterial-like multi-subunit RNA polymerases (RNAP) localized in plastids and the nucleus, Arabidopsis thaliana contains three phage-like single-unit, nuclear-encoded, organellar RNAPs. The enzymes RpoTp and RpoTm are imported into plastids and mitochondria, respectively, whereas RpoTmp shows dual targeting properties into both organelles. To investigate if expression of the RpoT genes is light-dependent, light-induced transcript accumulation of RpoTm, RpoTp and RpoTmp was analyzed using quantitative real-time-PCR in 7-day-old seedlings as well as in 3- and 9-week-old rosette leaves. To address the question whether RpoT transcript accumulation is regulated differentially during plant development transcript abundance was measured during leaf development. Additionally, effects of the plants circadian rhythm on RpoT transcript accumulation were analyzed. Transcripts of all three RpoT genes were found to be strongly light-induced even in senescent leaves and only marginally influenced by the circadian clock. Further analyses employing different photoreceptor mutants and light qualities revealed the involvement of multiple receptors in the light-induction process. The biogenesis of mitochondria and chloroplasts as well as processes like respiration and photosynthesis require the activity of genes residing in at least two distinct genomes. There have to be ways of intracellular communication between different genomes to control gene activities in response to developmental and metabolic needs of the plant. In this study, it was shown that gene copy numbers drastically increased in photosynthetically inactive Arabidopsis seedlings. Mitochondrial DNA contents in cotyledons and leaves ranging in age from 2-day-old cotyledons to 37-day-old senescent rosette leaves were examined. A common increase in senescing rosette leaves and drastic differences between individual genes were found, revealing the importance of an integrative chondriome in higher plant cells.