Das Potenzial und die Anwendungen der Translatomik

Verstehen der dynamischen Welt der Genübersetzung

Translome, ein Begriff, der alle Komponenten umfasst, die direkt am Übersetzungsprozess beteiligt sind, öffnet ein Fenster in die komplexe Welt der Molekularbiologie. Es beinhaltet, ist aber nicht beschränkt auf die zentralen Akteure wie Ribosomen, in übersetzten mRNAs (RNC-mRNAs), tRNAs und eine Vielzahl von Übersetzungsfaktoren. Darüber hinaus erstreckt es sich auf regulatorische RNAs, wie miRNAs und lncRNAs, und sogar de novo Peptidketten. Translatomics, ein aufstrebendes Feld, untersucht die Zusammensetzung und dynamischen Muster dieser wesentlichen Komponenten.

Bitte beziehen Sie sich auf unseren Artikel Was ist Translatomics?

Übersetzungsinsights unter abiotischem Stress

Pflanzenleben sieht sich einer Vielzahl von Herausforderungen gegenüber, wobei abiotische Stressfaktoren wie extreme Temperaturen, Lichtintensitätsvariationen, Dürre, Salinität und Staunässe eine bedeutende Rolle spielen. Diese Umweltfaktoren haben erhebliche Auswirkungen auf die Genexpression in Pflanzen. Zu verstehen, wie Wurzelsysteme diese Herausforderungen unter variierenden Bewässerungs- und Niederschlagsbedingungen bewältigen, ist entscheidend für die Entwicklung klimaresistenter Pflanzen.

Neueste Studien haben Licht auf das Translatom und die Chromatinprofile von Reiswurzeln unter verschiedenen Umweltbedingungen geworfen. Beispielsweise dämpft die Überflutung die DNA-Synthese von genzyklusbezogenen Genen während der Proliferation. Sie beeinflusst auch Gene, die mit dem Wachstumshormon-Signalweg, der biologischen Uhr und der kleinen RNA-Regulation in Grundgeweben assoziiert sind. In der Zwischenzeit erfahren die Biosynthese von Korkmaterial, Eisen-Transportproteine und die Stickstoffassimilation in Endosperm-/extrinsischen Zellen, die alle von der Wasserverfügbarkeit abhängen, regulatorische Veränderungen unter überfluteten Bedingungen. Diese Ergebnisse heben das komplexe Netz der Genregulation hervor, das auf abiotischen Stress reagiert, und identifizieren kritische Transkriptionsfaktoren, die die Reaktionen auf Wasserdefizite und die Xylem-Entwicklung antreiben.

Ein Atlas der Genaktivität von Wurzelzellpopulationen von Reis in verschiedenen agronomisch relevanten Umgebungen. (Reynoso et al., 2022)

Enthüllung der Translatom-Reaktionen auf biotischen Stress

Im Angesicht biotischer Bedrohungen engagieren sich Pflanzen in einer transkriptionalen Neuprogrammierung, um sich zu schützen. Dennoch bleibt viel über die translationale Neuprogrammierung während der pflanzlichen Immunantworten unentdeckt. Forscher wenden nun modernste Techniken wie Ribo-Seq und RNA-Sequenzierung an, um die translationalen Reaktionen von Wirtspflanzen auf Infektionen zu entschlüsseln.

Ein Beispiel ist eine Studie, die das Translatom des Porcinen-Reproduktions- und Atemwegssyndromvirus (PRRSV) untersuchte. Diese Forschung enthüllte Strategien zur Genexpression, die es dem Virus ermöglichen, während seines Replikationszyklus translationale Kontrolle auszuüben. Die Studie fand wechselnde Effizienzen an spezifischen Loci und identifizierte zusätzliche virale ORFs, die möglicherweise durch neue virale Transkripte erleichtert werden. Diese Entdeckungen bieten tiefere Einblicke in die komplexen Mechanismen der viralen Genexpression.

Schematische Zusammenfassung der nicht-kanonischen Mechanismen der Genexpressionsregulation des Porcinen-Reproduktions- und Atemwegssyndromvirus (PRRSV). (Cook et al., 2022)

Translationale Kontrolle in der Entwicklung

Translationale Kontrolle beschränkt sich nicht auf Stressreaktionen. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der Genexpression während der Entwicklung und erleichtert die gewebespezifische Synthese von Genprodukten sowohl in Pflanzen als auch in Tieren.

Neueste Untersuchungen haben das gesamte Spektrum der mRNAs untersucht, die nach der Befruchtung übersetzt werden, indem Polysomen analysiert und sequenziert wurden. Überraschenderweise werden nur ein Bruchteil der mütterlichen mRNAs selektiv zu Polysomen rekrutiert. Diese Rekrutierung, unabhängig von der mRNA-Häufigkeit, besteht überwiegend aus mRNAs, die mit spezifischen funktionalen Klassen assoziiert sind, die mit Übergängen im Zellzyklus und späteren Entwicklungsereignissen verbunden sind. Interessanterweise könnte die Befruchtung ein Initiationsmodell beinhalten, das nicht auf dem mTOR-Weg beruht, wie die variable Reaktion neu übersetzter mRNAs auf die Beeinträchtigung des mTOR-Wegs nahelegt.

Modell der Dynamik der Polysomenrekrutierung bei der Befruchtung im Seeigel. (Chassé et al., 2018)

Translokomische Einblicke in Organellgene

Organellen wie Chloroplasten und Mitochondrien sind entscheidend für grundlegende Pflanzenprozesse wie Photosynthese und Atmung. Diese kleinen Kraftwerke enthalten ihre eigenen Miniaturgenome, die nur eine Handvoll Gene umfassen. Chloroplasten reagieren beispielsweise auf Temperaturänderungen, was die Kältetoleranz von Pflanzen beeinflusst.

Forschungen haben sich mit der Kältedomestikation in Tabaksämlingen beschäftigt, die niedrigen Temperaturen ausgesetzt sind, und dabei die Kopienzahlen des Chloroplastengenoms, die Transkriptabreicherung, die Translation, die Photosynthese, die Zellphysiologie und die metabolischen Reaktionen untersucht. Die Ergebnisse zeigen eine signifikante kälteinduzierte translationale Regulation auf Initiations- und Elongationsniveau, mit minimalen Veränderungen der Transkriptlevel. Dies hebt die zuvor unterschätzte Rolle der Chloroplastengene in der Kältetoleranz von Pflanzen hervor.

Umfangreiche translationale Regulation in Tabakchloroplasten während der Akklimatisierung an niedrige Temperaturen. (Gao et al., 2022)

Die Translome-Technologie erweitert schnell unser Verständnis der komplexen Welt der Genübersetzung in sowohl gesunden als auch gestressten Pflanzensystemen. Diese Fortschritte in der Forschung eröffnen neue Wege für die Entwicklung resistenter Pflanzen und vertiefen unser Verständnis der Pflanzenbiologie auf molekularer Ebene.

Literaturverzeichnis:

1. Reynoso, Mauricio A., et al. "Genregulatorische Netzwerke formen die Entwicklungsplastizität von Wurzelzelltypen unter Wasserextremen in Reis." Developmental Cell 57.9 (2022): 1177-1192.
2. Cook, Georgia M., et al. "Ribosomenprofiling des Porcinen-Reproduktions- und Atemwegssyndromvirus enthüllt neuartige Merkmale der viralen Genexpression." Elife 11 (2022): e75668.
3. Chassé, Héloïse, et al. "Translatome-Analyse beim Übergang von Ei zu Embryo im Seeigel." Nucleic Acids Research 46.9 (2018): 4607-4621.
4. Gao, Yang, et al. "Translationale Regulation in Chloroplasten enthüllt nicht essentielle Photosynthesegene als Schlüsselakteure bei der Kälteakklimatisierung von Pflanzen." The Plant Cell 34.5 (2022): 2056-2079.