Analysis of phage-type RNA polymerase driven transcription in Physcomitrella patens and Arabidopsis

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