Mechanism of tRNA splicing: structure and function of plant and animal RNA ligases

Transfer Ribonukleinsäuren werden von der RNA Polymerase III als Vorläufer tRNA transkribiert und durchlaufen eine Vielzahl von Reifungsschritten hin zur maturen tRNA. Neben der Hydrolyse der 5´- und 3´-Flanke durch die RNase P und die tRNase Z, sowie einer Vielzahl von Basenmodifizierungen, wird bei einigen pre-tRNAs das Intron herausgespleißt. Die ersten intronhaltigen tRNA Gene wurden in der Hefe Saccharomyces cerevisiae nachgewiesen und folglich wurde der Spleißmechanismus in diesem Organismus als erstes untersucht. Eine tetramere tRNA Spleißendonuklease spaltet das Intron an den Exongrenzen heraus und eine tRNA Ligase ligiert die entstandenen tRNA Hälften zur gespleißten tRNA. Einzig in der Hefe und anderen Pilzen konnten bisher die Gene für die tRNA Ligase identifiziert werden. Weder molekularbiologische Ansätze – wie z.B. DNA Hybridisierung, Expressions-“Screening“ und funktionelle Komplementationsstudien mit einem tRNA Ligase-defizienten Hefestamm – noch Datenbanksuchen mit der bekannten Hefe tRNA Ligasesequenz haben in den vergangenen Jahren zur Identifizierung eines pflanzlichen oder animalen tRNA Ligase Gens geführt. In dieser Arbeit ist es erstmals gelungen, das tRNA Ligase Protein aus Weizenkeimen bis zur Homogenität zu isolieren und mit Hilfe erhaltener Peptidsequenzen die entsprechenden Kern-codierten Gene in höheren und niederer Pflanzen zu identifizieren. Die Ligaseaktivität wurde für das klonierte, rekombinant überexprimierte tRNA Ligaseprotein bestätigt. Weiterhin wurde zum ersten Mal das Ligaseprotein aus Schweineleber aufgereinigt und das zugehörige Gen im humanen Genom identifiziert.Transfer ribonucleic acids (tRNAs) are produced by RNA polymerase III and undergo multiple maturation steps until to the mature tRNA. Besides the endonucleolytic removal of 5´- and 3´-flanks by RNase P and tRNase Z and a multitude of base modifications, the introns of some pre-tRNA is spliced out. The first intron-containing tRNA genes have been identified in Saccharomyces cerevisae and consequently the splicing mechanism has been studied in this organism first. A tetrameric splicing endonuclease cleaves the intron at the exon borders and a tRNA ligase ligates the resulting tRNA halves to the spliced tRNA. The gene for this tRNA ligase has up to now only been identified in yeast and in other fungi. Neither molecular biological approaches – as, e.g., DNA hybridisation, expression screening and functional complementation studies with a tRNA ligase-deficient yeast strain – nor data bank searches with the known yeast tRNA ligase sequence have led to the identification of a plant or animal tRNA ligase gene. In this work a purification to homogeneity has been achieved for the wheat germ tRNA ligase protein for the first time, followed by the identification of the corresponding nuclear-encoded genes in higher and lower plants with the help of resulting peptide sequences. The ligase activity was confirmed for the cloned, recombinant overexpressed tRNA ligase protein. Moreover, the ligase protein from pig liver was purified and the corresponding gene identified in the human genome