Kasvien viherhiukkasissa sijaitseva yhteyttämiskoneisto koostuu lukuisista proteiineista. Osa proteiineista valmistetaan viherhiukkasissa ja osa kuljetaan toimintapaikalleen solulimasta. Turun yliopiston tutkijat löysivät uuden säätelytekijän, joka vaikuttaa viherhiukkasten kehitykseen ja toimintaan.
Tehokkaan yhteyttämisen takaamiseksi proteiinien biosynteesiä sekä fotosynteesikoneiston rakentumista, aktiivisuutta ja hajoamista säädellään tarkasti. PPR-proteiineilla tiedetään olevan tärkeä rooli näissä tehtävissä. PPR-proteiinit ovat yksi viherhiukkaseen kuljetettu säätelyproteiinien ryhmä, jonka tiedetään vaikuttavan viherhiukkasissa tapahtuvaan geenien ilmenemiseen.
Proteiinien valmistus solulimassa on tarkka prosessi, jonka onnistuminen edellyttää lukuisten tuotantokoneiston osien saumatonta yhteistyötä. Satunnaisesti tuotantoprosessi voi myös epäonnistua, jolloin solulimassa toimiva ”jätemylly”, 26S–proteasomi, hajottaa virheelliset proteiinituotteet. Ennen hajotusta epäkelvot proteiinit merkitään liittämällä niihin ubikitiini-osoitelappu, jonka avulla jätemylly tunnistaa ne. Ubikitiini-osoitelapun liimaajina toimivat ubikitiiniligaasientsyymit.
– Eläimillä NOT4-ubikitiiniligaasit toimivat tärkeässä laadunvalvontatehtävässä proteiinien biosynteesin yhteydessä. Yhteistyökumppanimme Birminghamin yliopistosta ryhtyivät selvittämään, miten vastaavat proteiinit toimivat kasveissa. Kävi ilmi, että NOT4A-proteiinin puuttuessa kasvin kasvu viivästyy ja sen lehdet ovat vaaleat ja pienet. Tulokset saivat heidät epäilemään, että viherhiukkasten toiminnassa on jotakin vikaa. Tässä kohdassa me astuimme mukaan kuvaan, kertoo Turun yliopiston molekulaarisen kasvibiologian apulaisprofessori Paula Mulo.
Nyt saatujen tulosten mukaan solulimassa toimiva ubikitiiniligaasientsyymi tarvitaan PGR3-PPR-proteiinin kertymiseen viherhiukkasessa, mikä puolestaan vaikuttaa merkittävästi fotosynteesitehokkuuteen ja kasvin kasvuun.
Tulokset auttavat ymmärtämään viherhiukkasen toimintaa
NOT4A-ubikitiiniligaasin puuttuessa viherhiukkasen toiminta oli todellakin häiriintynyt: yhteyttämiskoneiston tietyt osat eivät rakentuneet normaalisti ja yhteyttämisreaktiot toimivat yskähdellen.
– Erityisesti kiinnitimme huomiota kahden tärkeän yhteyttämiskoneiston osan (Cyt b6f- ja NDH-kompleksi) epänormaaliin kertymiseen. Yllätykseksemme huomasimme myös, että koko viherhiukkasen oma proteiinintuotantolaitos oli epäkunnossa eli ribosomin pienen alayksikön osia ei kertynyt viherhiukkaseen riittävästi. Tämä näkyi myös kasvien heikentyneenä kykynä sopeutua kirkkaan valon aiheuttamaan stressiin, selittää Mulo.
Nämä huomiot yhdessä geenien ilmenemisanalyysin kanssa johdattivat tutkijat PPR-proteiinien jäljille. Tutkimuksen kuluessa selvitettiin, että NOT4A-ubikitiiniligaasin puuttuessa kasviin ei kertynyt lainkaan PGR3-nimistä PPR-proteiinia, jonka tiedetään säätelevän Cyt b6f- ja NDH-kompleksien muodostumista. PGR3-proteiinin puuttuminen oli siis suora syy viherhiukkasissa havaittuihin ongelmiin.
– Seuraavaksi on tärkeää selvittää, minkä mekanismin välityksellä NOT4A-ubikitiiniligaasi vaikuttaa proteiinien kertymiseen viherhiukkasessa. Odotimme, että PGR3-proteiinin laadunvalvonta voisi tapahtua 26S-proteasomin välityksellä, mikä ei osoittautunut oikeaksi oletukseksi. Tutkittavaa siis riittää!
Mulo myös tähdentää kansainvälisen ja tieteen eri näkökulmia yhdistävän yhteistyön merkitystä tutkimuksen onnistumiseksi. Tutkimus tehtiin yhteistyössä Birminghamin yliopiston tutkijan Daniel Gibbsin ryhmän kanssa. Alun pitäen Mulon ja Gibbsin tutkimusryhmät osuivat yhteen EraCaps-tutkimusyhteistyöverkoston puitteissa, ja tutkimus pääsi täyteen vauhtiin keväällä 2019 tapahtuneiden tutkijavierailujen aikana.
– Tutkijavierailut mahdollistivat tehokkaan kommunikoinnin ja opimme toisiltamme uusia ajattelumalleja ja tietysti myös kokeellisia menetelmiä, iloitsevat Mulon ryhmässä tutkijoina toimivat Aiste Ivanauskaite ja Marjaana Rantala.
Tulokset julkaistiin Nature Communications -julkaisun tammikuun numerossa.
