Mammalian Mat1 subunit of Transcription Factor IIH in gene-specific and general transcription

All protein-encoding genes in eukaryotes are transcribed into messenger RNA (mRNA) by RNA Polymerase II (RNAP II), whose activity therefore needs to be tightly controlled. An important and only partially understood level of regulation is the multiple phosphorylations of RNAP II large subunit C-terminal domain (CTD). Sequential phosphorylations regulate transcription initiation and elongation, and recruit factors involved in co-transcriptional processing of mRNA. Based largely on studies in yeast models and in vitro, the kinase activity responsible for the phosphorylation of the serine-5 (Ser5) residues of RNAP II CTD has been attributed to the Mat1/Cdk7/CycH trimer as part of Transcription Factor IIH. However, due to the lack of good mammalian genetic models, the roles of both RNAP II Ser5 phosphorylation as well as TFIIH kinase in transcription have provided ambiguous results and the in vivo kinase of Ser5 has remained elusive. The primary objective of this study was to elucidate the role of mammalian TFIIH, and specifically the Mat1 subunit in CTD phosphorylation and general RNAP II-mediated transcription. The approach utilized the Cre-LoxP system to conditionally delete murine Mat1 in cardiomyocytes and hepatocytes in vivo and and in cell culture models. The results identify the TFIIH kinase as the major mammalian Ser5 kinase and demonstrate its requirement for general transcription, noted by the use of nascent mRNA labeling. Also a role for Mat1 in regulating general mRNA turnover was identified, providing a possible rationale for earlier negative findings. A secondary objective was to identify potential gene- and tissue-specific roles of Mat1 and the TFIIH kinase through the use of tissue-specific Mat1 deletion. Mat1 was found to be required for the transcriptional function of PGC-1 in cardiomyocytes. Transriptional activation of lipogenic SREBP1 target genes following Mat1 deletion in hepatocytes revealed a repressive role for Mat1apparently mediated via co-repressor DMAP1 and the DNA methyltransferase Dnmt1. Finally, Mat1 and Cdk7 were also identified as a negative regulators of adipocyte differentiation through the inhibitory phosphorylation of Peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) γ. Together, these results demonstrate gene- and tissue-specific roles for the Mat1 subunit of TFIIH and open up new therapeutic possibilities in the treatment of diseases such as type II diabetes, hepatosteatosis and obesity.

Transkriptio on prosessi, jolla eukaryoottisolu kääntää proteiineja koodaavat geenit lähetti-RNA:ksi RNA Polymeraasi II:sen välityksellä. Koska lähes kaikki eliön solut sisältävät saman perimätiedon geeneissä, RNA Polymeraasi II:n säätely on elintärkeää, jotta erilaiset solut voivat ilmentää juuri niille tarvittavia proteiineja juuri oikeasssa tilanteessa. Yksi tärkeä säätelymekanismi on RNA Polymeraasi II:n C-terminuksen seriinitähteiden fosforylaatio, joka aktivoi transkription sekä rekrytoi paikalle muita transkriptiota sääteleviä proteiineja kuten kromatiinia muokkaavia tekijöitä sekä lähetti-RNA:n muokkaamiseen tarvittavia entsyymejä. Vaikka hiivatutkimuksien perusteella on oletettu, että Mat1/Cdk7/CycH kinaasikompleksi osana TFIIH transkriptiotekijää fosforyloi RNA Polymeraasi II:sta, nisäkässoluissa sekä TFIIH kinaasin että RNA Polymeraasi II:n fosforylaation rooli ja merkitys transkriptiossa on epäselvä. Tämän väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli selvittää TFIIH kinaasikompleksin, etenkin Mat1 alayksikön, roolia RNA Polymeraasi II:n fosforylaatiossa sekä transkription säätelyssä. Hyödyntämällä Mat1 poistogeenisiä soluja maljalla, ensimmäinen osatyö identifioi Mat1-proteiinin tarpeelliseksi RNA Polymeraasi II:n fosforylaatioon sekä proteiineja koodaavien geenien transkriptioon nisäkässoluissa. Lisäksi kyseinen osatyö paljasti Mat1-proteiinille roolin lähetti-RNA:n puoliajan säätelyssä. Toinen väitöskirjan tavoite oli tutkia TFIIH kinaasikompleksin ja Mat1:sen mahdollisia geeni- ja kudosspesifisiä rooleja hyödyntämällä kudosspesifisiä Mat1-poistogeenisiä hiiriä sekä erilaistuvia solumalleja. Toisessa osatyössä osoitettiin, että TFIIH kinaasi säätelee rasvasolujen muodostumista fosforyloimalla PPARg transkriptiotekijää, täten estämällä solua erilaistumasta rasvasoluksi. Kolmas osatyö osoitti, että sydänlihassoluissa Mat1:stä tarvitaan rasvahappojen hapettamiseen tarpeellisten geenien säätelyyn. Neljännessa osatyössä löydettiin uusi, negatiivisesti rasvametaboliageenien transkriptiota säätelevä rooli Mat1:selle maksasoluissa. Mat1 säätelee rasvametabolia geenejä rekrytoimalla geeneille kromatiinia muokkaavia entsyymejä, jotka vuorostaan vähentävät geenien ilmentämistä ja täten ylläpitävät maksan tervettä rasva-aineenvaihduntaa. Mat1:sen poisto maksasta aiheuttaa kyseisten geenien yli-ilmentämisen ja rasvan kertymistä maksasoluihin, johtaen rasvamaksan muodostumiseen. Väitöskirjatyö paljastaa TFIIH kinaasille yleisen tehtävän kaikkien proteiineja koodaavien geenien säätelyssä RNA Polymeraasi II:n fosforylaation kautta, ja lisäksi geeni- ja kudosspesifisiä rooleja sekä negatiivisena että positiivisena transkription säätelijänä, ja antaa viitteitä terapeuttisista mahdollisuuksista aineenvaihduntatautien, kuten tyypin II diabeteksen tai liikalihavuuden hoidossa.