Exploration of deleterious single nucleotide polymorphisms in the components of human P bodies: An in silico approach

P bodies are 100-300 nm sized organelles involved in mRNA silencing and degradation. A total of 60 human proteins have been reported to localize to P bodies. Several human SNPs contribute to complex diseases by altering the structure and function of the proteins. Also, SNPs alter various transcription factors binding, splicing and miRNA regulatory sites. Owing to the essential functions of P bodies in mRNA regulation, we explored computationally the functional significance of SNPs in 7 P body components such as XRN1, DCP2, EDC3, CPEB1, GEMIN5, STAU1 and TRIM71. Computational analyses of non-synonymous SNPs of these components was initiated using well utilized publicly available software programs such as the SIFT, followed by PolyPhen, PANTHER, MutPred, I-Mutant-2.0 and PhosSNP 1.0. Functional significance of noncoding SNPs in the regulatory regions were analysed using FastSNP. Utilizing miRSNP database, we explored the role of SNPs in the context that alters the miRNA binding sites in the above mentioned genes. Our in silico studies have identified various deleterious SNPs and this cataloguing is essential and gives first hand information for further analysis by in vitro and in vivo methods for a better understanding of maintenance, assembly and functional aspects of P bodies in both health and disease. (C) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Regulation of Synaptogenesis by the miRNA Pathway and FMR/P Bodies

Post-transcriptional regulation of mRNA is facilitated by different mechanisms, such as microRNA (miRNA) induced gene silencing or fragile X mental retardation protein (FMRP) mediated repression either independent of or acting through cytoplasmic RNA Processing bodies (P bodies). DPTP99A, Lar, and Wg have known functions during synaptogenesis and may be targets of miR-8. Here, we provide evidence that miR-8 regulates DPTP99A in vitro. Non-endogenous miR-8 expressed using an UAS driver regulates Lar. Endogenous miR-8 may regulate DPTP99A in vivo. Here we show that FMRP is capable of colocalizing with the P body components: DCP1, HPat, and Me31B, but not CCR4. We also show that RNAi against HPat and Me31B but not CCR4 and DCP1 are required for FMRP’s repression of a translational reporter in vivo. This functional analysis provides additional insight into another aspect of FMRP’s and P bodies’ ability to cooperatively control repression of mRNA targets.

The role of NHL-2 in regulating C.elegans P granule function

La divison cellulaire asymétrique est un processus essentiel qui permet aux cellules souches de s’auto-renouveller et de produire une cellule fille destinée à la différenciation. La lignée germinale de C. elegans, totipotente et immortelle, est une lignée de cellules souches qui contient des organites ribonucléoprotéiques appelés granules P. Au cours du développement ces derniers sont toujours localisés spécifiquement dans les cellules précurseurs de la lignée germinals, suggérant qu’ils sont des déterminants de la lignée germinale. De façon intéressante, des granules ribonucléoprotéiques, comme les P bodies impliqués dans le contrôle post-transcriptionnel, ont été observés chez tous les organismes. Néanmoins, la fonction précise des granules P de C. elegans est inconnue. Récemment, notre laboratoire a montré que NHL-2, un homologue de Mei-P26 de Drosophile, colocalise avec les granules P dans des embryons précoces et joue un rôle dans la division cellulaire asymétrique et dans la polarité cellulaire. Tous les granules P contiennent NHL- 2, ce qui nous a mené à poser l’hypothèse que NHL-2 régule la biogenèse et la fonction des granules P. Nous avons testé cette hypothèse par imagerie et quantification de l'intensité de PGL-1, un composant essentiel des granules P, dans des embryons fixés. Nos résultats montrent que dans des embryons mutants pour nhl-2 il y a une réduction du nombre de granules P, de l'intensité de fluorescence moyenne (IFM) et de l'intensité de fluorescence total (IFT) de PGL-1. Une analyse plus poussée a montré qu'il existe deux populations distinctes d’embryons mutants pour nhl-2 : l’une présente une intensité de PGL-1 comparable à celle d’une population sauvage alors que le second groupe présente une forte réduction des quantités de PGL-1 et est comparable à des mutants pour pgl-1. Cette variabilité est aussi observée dans le phénotype de stérilité de nhl-2 mutant à des températures élevées. Globalement, nos résultats suggèrent que la perte de fonction de NHL-2 perturbe la prolifération des cellules germinales ainsi que la formation et/ou la stabilité des granules P au cours des étapes précoces du développement des précurseurs de la lignée germinals. D’autre part, ils suggèrent que la fonction de NHL-2 pourrait être partiellement redondants avec les autres régulateurs de la stabilité des granules P. Mots-clés : Granules P, NHL-2, Cellules germinals.

Coordinated changes in mRNA turnover, translation, and RNA processing bodies in bronchial epithelial cells following inflammatory stimulation.

Bronchial epithelial cells play a pivotal role in airway inflammation, but little is known about posttranscriptional regulation of mediator gene expression during the inflammatory response in these cells. Here, we show that activation of human bronchial epithelial BEAS-2B cells by proinflammatory cytokines interleukin-4 (IL-4) and tumor necrosis factor alpha (TNF-alpha) leads to an increase in the mRNA stability of the key chemokines monocyte chemotactic protein 1 and IL-8, an elevation of the global translation rate, an increase in the levels of several proteins critical for translation, and a reduction of microRNA-mediated translational repression. Moreover, using the BEAS-2B cell system and a mouse model, we found that RNA processing bodies (P bodies), cytoplasmic domains linked to storage and/or degradation of translationally silenced mRNAs, are significantly reduced in activated bronchial epithelial cells, suggesting a physiological role for P bodies in airway inflammation. Our study reveals an orchestrated change among posttranscriptional mechanisms, which help sustain high levels of inflammatory mediator production in bronchial epithelium during the pathogenesis of inflammatory airway diseases.

Deadenylation is prerequisite for P-body formation and mRNA decay in mammalian cells.

Deadenylation is the major step triggering mammalian mRNA decay. One consequence of deadenylation is the formation of nontranslatable messenger RNA (mRNA) protein complexes (messenger ribonucleoproteins [mRNPs]). Nontranslatable mRNPs may accumulate in P-bodies, which contain factors involved in translation repression, decapping, and 5'-to-3' degradation. We demonstrate that deadenylation is required for mammalian P-body formation and mRNA decay. We identify Pan2, Pan3, and Caf1 deadenylases as new P-body components and show that Pan3 helps recruit Pan2, Ccr4, and Caf1 to P-bodies. Pan3 knockdown causes a reduction of P-bodies and has differential effects on mRNA decay. Knocking down Caf1 or overexpressing a Caf1 catalytically inactive mutant impairs deadenylation and mRNA decay. P-bodies are not detected when deadenylation is blocked and are restored when the blockage is released. When deadenylation is impaired, P-body formation is not restorable, even when mRNAs exit the translating pool. These results support a dynamic interplay among deadenylation, mRNP remodeling, and P-body formation in selective decay of mammalian mRNA.

Deadenylation is prerequisite for P-body formation and mRNA decay in mammalian cells.

Deadenylation is the major step triggering mammalian mRNA decay. One consequence of deadenylation is the formation of nontranslatable messenger RNA (mRNA) protein complexes (messenger ribonucleoproteins [mRNPs]). Nontranslatable mRNPs may accumulate in P-bodies, which contain factors involved in translation repression, decapping, and 5'-to-3' degradation. We demonstrate that deadenylation is required for mammalian P-body formation and mRNA decay. We identify Pan2, Pan3, and Caf1 deadenylases as new P-body components and show that Pan3 helps recruit Pan2, Ccr4, and Caf1 to P-bodies. Pan3 knockdown causes a reduction of P-bodies and has differential effects on mRNA decay. Knocking down Caf1 or overexpressing a Caf1 catalytically inactive mutant impairs deadenylation and mRNA decay. P-bodies are not detected when deadenylation is blocked and are restored when the blockage is released. When deadenylation is impaired, P-body formation is not restorable, even when mRNAs exit the translating pool. These results support a dynamic interplay among deadenylation, mRNP remodeling, and P-body formation in selective decay of mammalian mRNA.

Caenorhabditis elegans germinal center kinase (Gck-1) is a p-body component that inhibits precocious ectopic MAP kinase dependent meiotic maturation

The Caenorhabditis elegans germline is an excellent model system for studying meiosis, as the gonad contains germ cells in all stages of meiosis I prophase in a linear temporal and spatial pattern. To form healthy gametes, many events must be coordinated. Failure of any step in the process can reduce fertility. Here, we describe a C. elegans Germinal Center Kinase, GCK-1, that is essential for the accurate progression of germ cells through meiosis I prophase. In the absence of GCK-1, germ cells undergo precocious maturation due to the activation of a specific MAP kinase isoform. Furthermore, GCK-1 localizes to P-bodies, RNP particles that have been implicated in RNA degradation and translational control. Like two other components of C. elegans germline P-bodies, GCK-1 functions to limit physiological germ cell apoptosis. This is the first study to identify a role for a GCK-III kinase in metazoan germ cell development and to link P-body function with MAP kinase activation and germ cell maturation. ^

Yeast screens identify the RNA polymerase II CTD and SPT5 as relevant targets of BRCA1 interaction.

BRCA1 has been implicated in numerous DNA repair pathways that maintain genome integrity, however the function responsible for its tumor suppressor activity in breast cancer remains obscure. To identify the most highly conserved of the many BRCA1 functions, we screened the evolutionarily distant eukaryote Saccharomyces cerevisiae for mutants that suppressed the G1 checkpoint arrest and lethality induced following heterologous BRCA1 expression. A genome-wide screen in the diploid deletion collection combined with a screen of ionizing radiation sensitive gene deletions identified mutants that permit growth in the presence of BRCA1. These genes delineate a metabolic mRNA pathway that temporally links transcription elongation (SPT4, SPT5, CTK1, DEF1) to nucleopore-mediated mRNA export (ASM4, MLP1, MLP2, NUP2, NUP53, NUP120, NUP133, NUP170, NUP188, POM34) and cytoplasmic mRNA decay at P-bodies (CCR4, DHH1). Strikingly, BRCA1 interacted with the phosphorylated RNA polymerase II (RNAPII) carboxy terminal domain (P-CTD), phosphorylated in the pattern specified by the CTDK-I kinase, to induce DEF1-dependent cleavage and accumulation of a RNAPII fragment containing the P-CTD. Significantly, breast cancer associated BRCT domain defects in BRCA1 that suppressed P-CTD cleavage and lethality in yeast also suppressed the physical interaction of BRCA1 with human SPT5 in breast epithelial cells, thus confirming SPT5 as a relevant target of BRCA1 interaction. Furthermore, enhanced P-CTD cleavage was observed in both yeast and human breast cells following UV-irradiation indicating a conserved eukaryotic damage response. Moreover, P-CTD cleavage in breast epithelial cells was BRCA1-dependent since damage-induced P-CTD cleavage was only observed in the mutant BRCA1 cell line HCC1937 following ectopic expression of wild type BRCA1. Finally, BRCA1, SPT5 and hyperphosphorylated RPB1 form a complex that was rapidly degraded following MMS treatment in wild type but not BRCA1 mutant breast cells. These results extend the mechanistic links between BRCA1 and transcriptional consequences in response to DNA damage and suggest an important role for RNAPII P-CTD cleavage in BRCA1-mediated cancer suppression.

Cellular responses to genome mistranslation

Low level protein synthesis errors can have profound effects on normal cell physiology and disease development, namely neurodegeneration, cancer and aging. The biology of errors introduced into proteins during mRNA translation, herein referred as mistranslation, is not yet fully understood. In order to shed new light into this biological phenomenon, we have engineered constitutive codon misreading in S. cerevisiae, using a mutant tRNA that misreads leucine CUG codons as serine, representing a 240 fold increase in mRNA translational error relative to typical physiological error (0.0001%). Our studies show that mistranslation induces autophagic activity, increases accumulation of insoluble proteins, production of reactive oxygen species, and morphological disruption of the mitochondrial network. Mistranslation also up-regulates the expression of the longevity gene PNC1, which is a regulator of Sir2p deacetylase activity. We show here that both PNC1 and SIR2 are involved in the regulation of autophagy induced by mistranslation, but not by starvation-induced autophagy. Mistranslation leads to P-body but not stress-granule assembly, down-regulates the expression of ribosomal protein genes and increases slightly the selective degradation of ribosomes (ribophagy). The study also indicates that yeast cells are much more resistant to mistranslation than expected and highlights the importance of autophagy in the cellular response to mistranslation. Morpho-functional alterations of the mitochondrial network are the most visible phenotype of mistranslation. Since most of the basic cellular processes are conserved between yeast and humans, this study reinforces the importance of yeast as a model system to study mistranslation and suggests that oxidative stress and accumulation of misfolded proteins arising from aberrant protein synthesis are important causes of the cellular degeneration observed in human diseases associated to mRNA mistranslation.

An examination of the effects of 4E-T-mediated re-localization of eIF4E on eIF4E function

Le facteur d'initiation de la traduction chez les eukaryotes eIF4E (4E) est un puissant oncogène en raison de sa capacité à faciliter l'export et/ou la traduction de certains transcripts, dont beaucoup sont eux-mêmes des oncogènes. 4E intéragit avec un grand nombre de protéines régulatrices dont la protéine 4E-T (pour 4E-Transporter). La capacité de 4E-T à modifier la localisation subcellulaire de 4E pourrait offrir un mécanisme permettant de modifier le potentiel oncogène d'une cellule. La surexpression de 4E-T dans des cellules d'ostéosarcome conduit à l’augmentation du nombre et de la taille des P-bodies, dans lesquels 4E colocalisent avec 4E-T mais pas avec la version tronquée 4E-T/Y30A. Cependant, les différentes expériences menées, permettant d’analyser les taux de transcription, la quantité de protéine, les profiles polysomiques ainsi que la distribution nucléo-cytoplasmique, montrent que la surexpression de 4E-T n'a pas d'effet sur la fonction de 4E. L'observation d’un enrichissement cytoplasmique et d’une charge réduite de ribosomes sur les transcripts codant les protéines cycline D1 et ODC (profile polysomique) dans la lignée 4E-T suggère un role de 4E-T dans la séquestration cytoplasmique de certains transcrips par un mécanisme qui reste encore à déterminer.

Régulation du métabolisme des ARNm par les voies de signalisation MAPK et mTOR

Il est à ce jour bien établi que la régulation de l’expression génique dépend en grande partie des évènements post-transcriptionnels et que la traduction des ARNm tient un rôle de premier plan dans ces processus. Elle est particulièrement importante pour définir le protéome, maintenir l’homéostasie et contrôler la croissance et la prolifération cellulaire. De nombreuses pathologies humaines telles que le cancer découlent de dérèglements de la synthèse protéique. Ceci souligne l’importance d’une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires contribuant au contrôle de la traduction des ARNm. Le facteur d’initiation eIF4E est essentiel à la traduction et son activité est régulée par ses partenaires protéiques dont font partie les protéines 4E-BP et 4E-T. Les voies de signalisation PI3K/mTOR et MAPK qui sont fortement impliquées dans l’étiologie du cancer, contrôlent la traduction en modulant l’activité d’eIF4E via l’inhibition des protéines 4E-BP et la localisation de 4E-T. Afin d’améliorer notre compréhension des mécanismes régulant la traduction des ARNm, nous avons utilisé plusieurs approches. Tout d’abord, nous avons caractérisé les mécanismes par lesquels le complexe mTORC1 est activé en réponse aux facteurs de croissance et avons déterminé que la kinase RSK, en aval de la voie Ras/ERK, contrôle directement l’activité de mTORC1 en phosphorylant Raptor, la sous-unité régulatrice du complexe mTORC1. Par ailleurs, nous nous sommes intéressés au rôle joué par mTORC1 dans l’initiation de la traduction. Pour cela, nous avons réalisé un criblage protéomique dans le but d’identifier de nouveaux facteurs sous le contrôle de mTORC1 qui participent activement à la traduction. Ces travaux ont ainsi permis l’identification de la protéine de liaison à l’ARN LARP1 comme effecteur majeur de la traduction des ARNm et de la croissance cellulaire en aval de mTORC1. Finalement, notre étude de l’effet du stress oxydant dans la répression de la traduction nous a permis de montrer que la kinase JNK contrôle la localisation du répresseur 4E-T au sein des P-bodies, qui sont des granules cytoplasmiques concentrant des ARNm non traduits et des facteurs de la dégradation des ARNm. Nos travaux ont donc abouti à la découverte de mécanismes moléculaires cruciaux impliqués dans la régulation de la traduction des ARNm et de la synthèse protéique. Ces derniers étant largement impliqués dans la prolifération cellulaire et la croissance tumorale, nos recherches ouvrent sur un champ d’investigation plus large pour le développement de nouvelles molécules anti-cancéreuses.

HelF und sein Interaktionspartner Xrn1: zwei Regulatoren der RNA-Interferenz in D. discoideum

Hauptziel dieser Arbeit ist die Identifizierung, Verifizierung und Charakterisierung von Interaktionspartnern von HelF, einem Negativregulator der RNA-Interferenz in Dictyostelium discoideum (Popova et al. 2006). Es ist gelungen, die Interaktion von HelF und der 5‘ 3‘ Exonuklease Xrn1 nachzu-weisen, aber alle anderen Versuchen, bisher unbekannte Protein-Interaktionspartner zu identifizieren, schlugen fehl. Xrn1 ist in den Organismen D. melanogaster (Orban und Izaurralde 2005), C. elegans (Newbury und Woollard 2004) und A. thaliana (Gazzani et al. 2004) bereits als Regulator der RNA-Interferenz bekannt. Mit Aufreinigungen nach der TAP-Methode und mit dem Nanotrap wurde ebenfalls versucht, RNA-Interaktionspartner von HelF zu identifizieren. Es konnten in einigen Aufreinigungen putative, für HelF spezifische RNAs identifiziert werden, doch entweder es handelte sich nachweislich nicht um RNA oder die Reproduktion der Daten schlug trotz mehrfacher Versuche fehl. Bezüglich der zellulären Lokalisation von HelF und Xrn1 konnte gezeigt werden, dass HelF zusätzlich zur bekannten Lokalisation in Foci im Nukleus (Popova et al. 2006) vermutlich auch im Cytoplasma und dort angeordnet in mehreren Granula zu finden ist. Xrn1 ist nahezu ausschließlich im Cytoplasma lokalisiert, wo es in mehreren Foci organisiert ist. Es wird vermutet, dass es sich bei diesen Foci um Processing-Bodies (P-Bodies) handelt und dass möglicherweise Xrn1 und HelF in eben diesen P-Bodies co-lokalisieren. In der Entwicklung vom Einzeller zum mehrzelligen Organismus zeigen die Xrn1KO- und die HelFKO-Mutante jeweils einen eindeutigen Phänotyp, der vom Wildtyp abweicht. Die Phänotypen der beiden Mutanten unterscheiden sich deutlich voneinander. Beim Mischen von HelF-Knockout-Zellen mit grün fluoreszierenden Wildtyp-Zellen zeigt sich, dass beide Stämme innerhalb des sich entwickelnden Organismus an definierten Stellen lokalisieren. Entgegen den Erwartungen befinden sich die Zellen der Mutante in den Stadien „Finger“ und „Slug“ nicht hauptsächlich im vorderen Teil des Organismus, sondern sind auch im hinteren Teil, der später die Sporenmasse bildet, vertreten. Dies lässt vermuten, dass HelF-Knockout-Mutanten in gleichem Maße wie Wildtypzellen als Sporen in die nächste Generation übergehen. Weitere Mix-Experimente, in denen HelFKO-Zellen und Xrn1KO-Zellen mit grün fluoreszierenden Wildtypzellen gemischt wurden, belegen eindeutig, dass beide Knockoutmutanten in Konkurrenz zum Wildtyp bei der Generierung von Sporen und somit beim Übergang in die nächste Generation benachteiligt sind. Dies steht im Gegensatz zu den Ergebnissen der vorher beschriebenen Mix-Experimente, in denen der Organismus als Ganzes betrachtet wurde. Weiterhin konnte herausgefunden werden, dass Xrn1 ebenso wie HelF (Popova et al. 2006) eine Rolle als Negativregulator in der RNA-Interferenz innehat. Fraglich ist aber, ob HelF wie bisher angenommen auch Einfluss auf den Weg der Generierung von miRNAs nimmt, da in HelFKO für keinen der beiden miRNA-Kandidaten eine Hoch- bzw. Runterregulierung der reifen miRNAs im Vergleich zum Wildtyp beobachtet werden kann. Im Xrn1KO hingegen ist die reife miRNA ddi-mir-1176 im Vergleich zum Wildtyp hochreguliert. In Bezug auf die Generierung von siRNAs konnte herausgefunden werden, dass Xrn1 und HelF im Fall der Generierung von Skipper siRNAs regulierend eingreifen, dass aber nicht alle siRNAs von der negativen Regulierung durch HelF und Xrn1betroffen sind, was am Beispiel der DIRS-1-siRNAs belegt werden kann. Das von B. Popova entwickelte Modell (Popova 2005) bezüglich der Rolle von HelF in der RNA-Interferenz wurde basierend auf den neu gewonnenen Daten weiterentwickelt und um Xrn1 ergänzt, um die Funktionen von HelF und Xrn1 als Antagonisten der RNA-Interferenz näher zu beleuchten. Literatur: Gazzani, S., T. Lawrenson, et al. (2004). "A link between mRNA turnover and RNA interference in Arabidopsis." Science 306(5698): 1046-8. Newbury, S. and A. Woollard (2004). "The 5'-3' exoribonuclease xrn-1 is essential for ventral epithelial enclosure during C. elegans embryogenesis." Rna 10(1): 59-65. Orban, T. I. and E. Izaurralde (2005). "Decay of mRNAs targeted by RISC requires XRN1, the Ski complex, and the exosome." Rna 11(4): 459-69. Popova, B. (2005). HelF, a suppressor of RNAi mediated gene silencing in Dictyostelium discoideum. Genetik. Kassel, Universität Kassel. PhD: 200. Popova, B., M. Kuhlmann, et al. (2006). "HelF, a putative RNA helicase acts as a nuclear suppressor of RNAi but not antisense mediated gene silencing." Nucleic Acids Res 34(3): 773-84.

eIF5A has a function in the elongation step of translation in yeast

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Análise de interação funcional de elF5A com a tradução, repressão da tradução e degradação de mRNA em Saccharomyces cerevisiae

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

How and where are nonsense mRNAs degraded in mammalian cells?

The nonsense-mediated mRNA decay (NMD) pathway is responsible for the rapid degradation of eukaryotic mRNAs on which ribosomes fail to terminate translation properly. NMD thereby contributes to the elimination of aberrant mRNAs, improving the fidelity of gene expression, but also serves to regulate gene expression at the post-transcriptional level. Here we discuss recent evidence as to how and where mRNAs targeted to NMD are degraded in human cells. We discuss accumulating evidence that the decay step of human NMD can be initiated by two different mechanisms: either by SMG6-mediated endonucleolytic cleavage near the aberrant stop codon, or by deadenylation and decapping. While there is evidence that mRNAs targeted for NMD have the capacity to accumulate with other translationally repressed mRNAs in P-bodies, there is currently no evidence that this is required for the degradation of the NMD substrate. It therefore remains an open question whether NMD in human cells is restricted to a particular cellular location or whether it can be initiated wherever translation of the NMD substrate takes place