DXO1 links nuclear gene expression and chloroplast function in Arabidopsis thaliana

Białka z rodziny DXO/Rai1 są zaangażowane w kontrolę jakości końca 5' mRNA (5'QC), usuwanie niekanonicznego kapu NAD+ (deNADding) oraz dojrzewanie rybosomalnego RNA (rRNA) w komórkach drożdżowych. Poniższa praca opisuje aktywność biochemiczną i znaczenie fizjologiczne białka DXO1 z Arabidopsis thaliana. Analizy enzymatyczne wykazały, że DXO1 bardzo skutecznie usuwa kap NAD+ oraz posiada słabą aktywność egzorybonukleazy 5'-3'. Pozostałe właściwości biochemiczne charakterystyczne dla homologów DXO/Rai1 są zahamowane w roślinnym DXO1 na skutek obecności pojedynczej substytucji aminokwasu w obrębie miejsca aktywnego. DXO1 posiada dodatkowy, specyficzny dla roślin N-końcowy fragment (NTE), który negatywnie wpływa na właściwości biochemiczne białka oraz uczestniczy w wiązaniu RNA. Aktywność enzymatyczna DXO1 jest hamowana przez adenozyno-3',5'-bisfosforan (PAP), który jest składnikiem wstecznej sygnalizacji z chloroplastów do jądra komórkowego, a także inhibitorem egzorybonukleaz 5'-3' z rodziny XRN. Główne funkcje białka DXO1 w kontekście fizjologicznym wymagają obecności rejonu NTE i są niezależne od aktywności katalitycznej. Brak DXO1 prowadzi do licznych fenotypów morfologicznych i molekularnych, które są zależne od NTE i obejmują spowolnienie wzrostu, jasnozielone zabarwienie, akumulację małych interferujących RNA (siRNA) zależnych od RDR6 oraz defekty w dojrzewaniu chloroplastowego rRNA. Białka współoczyszczające się z DXO1 w większości stanowią kodowane jądrowo czynniki, które są transportowane do chloroplastów, gdzie biorą udział w regulacji fotosyntezy i procesów redoks. Wśród wykrytych białek znajdował się również FRY1, który obniża poziom PAP u roślin, co sugeruje, że aktywność biochemiczna DXO1 może być autoregulowana z pośrednictwem sygnalizacji wstecznej z chloroplastów. Dane z sekwencjonowania RNA ujawniły również, że brak DXO1 wpływa na poziom transkryptów związanych z funkcją chloroplastów oraz z metabolizmem RNA. Funkcjonalne konsekwencje aktywności biochemicznej DXO1 pozostają nieznane. Przypuszczalnie DXO1 działa równolegle w wielu procesach, ale jego aktywność biochemiczna może pokrywać się z innymi białkami. Podsumowując, praca ta pokazuje, że białko DXO1 posiada pewne cechy swoich homologów drożdżowych i ssaczych, ale przede wszystkim wyewoluowało, aby pełnić specyficzną dla roślin rolę związaną z chloroplastami. Przypuszczalnie DXO1 wpływa na sygnalizację wsteczną z chloroplastów do jądra komórkowego, co skutkuje zmianami ekspresji genów jądrowych.

DXO/Rai1 proteins participate in mRNA 5'-end quality control (5'QC), removal of non-canonical NAD+ caps (deNADding) and maturation of fungal ribosomal RNA (rRNA). This work describes the biochemical activity and physiological significance of the Arabidopsis thaliana DXO1. Detailed enzymatic assays showed that DXO1 has strong deNADding and weak 5'-3' exoribonuclease activities. Other biochemical properties characteristic of DXO/Rai1 homologs are inhibited in plants due to the presence of a single amino acid modification within the active site. DXO1 also contains a large, plant-specific N-terminal extension (NTE) that negatively affects its biochemical properties and participates in RNA binding. In addition, enzymatic activity of DXO1 is inhibited by adenosine 3', 5'-bisphosphate (PAP), which is a component of chloroplast-to-nucleus retrograde signaling and an inhibitor of XRN 5'-3' exoribonucleases. This work demonstrates that the physiologically-relevant function of DXO1 is independent of its catalytic activity, but relies on the N-terminal extension. DXO1 knockdown leads to the NTE-dependent morphological and molecular aberrations that include severe growth retardation, pale-green coloration, accumulation of RDR6-dependent RNA quality control siRNAs (rqc-siRNAs) and defects in chloroplast rRNA maturation. DXO1 also co-purifies with multiple nuclear-encoded proteins that are further transported to chloroplast to function in photosynthesis and redox homeostasis. FRY1 that reduces PAP levels was present among the DXO1-associated proteins, so DXO1 biochemical activity could be autoregulated through retrograde signaling. RNA sequencing data revealed that DXO1 deficiency phenocopies chloroplast-driven transcriptomic changes, but also affects RNA metabolism. Functional implications of DXO1 biochemical activity remain unknown. Presumably, DXO1 parallelly acts in multiple processes, but its biochemical activity is redundant with other enzymes and eludes detection. Altogether, this work shows that DXO1 retains certain features of its fungal and mammalian homologs, but most prominently it evolved to perform a plant-specific role that is associated to chloroplast, but also affects nuclear gene expression, possibly through modulation of chloroplast-to-nucleus retrograde signaling.