Involvements of the Plant 3'-5' Exonuclease ERL1 in Chloroplast Ribosomal RNA Biogenesis and RNA Silencing Pathways

ERI-1 und ihm homologe Proteine sind 3‘-5‘ Exoribonukleasen mit konservierten Funktionen in der Regulation von RNA Silencing sowie der Prozessierung ribosomaler RNA. Caenorhabditis elegans ERI-1 (Enhanced RNAi 1) enthält eine konservierte ERI-1_3’hExo_like EXOIII-Domäne, die siRNAs in vitro bindet und degradiert, und deren Inaktivierung eine RNAi-Hypersensitivität zur Folge hat. ERI-1 ist phylogenetisch konserviert, und homologe Proteine wurden Reiche-übergreifend in einer Vielzahl von Modellorganismen identifiziert. RNA-Silencing-reprimierende Eigenschaften dieser Proteine wurden in einigen Fällen charakterisiert. Zusätzlich wurde für eine Untergruppe ERI-1-homologer Proteine eine Funktion in der Biogenese der 5.8S ribosomalen RNA aufgezeigt: Katalyse des letzten Prozessierungsschritts während der Reifung des 5.8S rRNA 3‘-Endes. Diese Doppelfunktion ERI-1-homologer Proteine schlägt eine interessante Brücke zwischen evolutionär weit entfernten auf nicht-codierender RNA basierenden Mechanismen. In dieser Arbeit werden Ergebnisse präsentiert, die Charakteristika des pflanzlichen ERI-1-Homologs ERL1 in verschiedenen regulatorischen Zusammenhängen zum Gegenstand haben. ERL1 lokalisiert in Chloroplasten und zeigt keinerlei messbare Aktivität in Bezug auf die Regulierung von RNA Silencing. Im Gegensatz dazu konnte gezeigt werden, dass ERL1 eine wichtige Rolle während der Reifung der chloroplastischen 5S rRNA spielt. ERL1-supprimierende bzw. -überexprimierende transgene Pflanzen, zeigen unterschiedliche phänotypische Aberrationen. Diese beinhalten vielfarbige Blätter, reduziertes Wachstum und Fruchtbarkeit, sowie den Verlust Photosynthese-kompetenter Chloroplasten in gebleichten Sektoren. Diese Defekte werden dadurch verursacht, dass die Plastid-Entwicklung in einem frühen Stadium blockiert wird. Dies führt zu defekten Plastiden, die keine kanonischen internen Strukturen, einschließlich Grana, bilden können. Die gestörte Plastid-Entwicklung ist ein Resultat fehlerhafter Prozessierung ribosomaler RNAs und dem daraus folgenden Verlust plastidärer Transkription und Translation. Wenn ERL1 runterreguliert oder überexprimiert ist, akkumulieren 3‘-elongierte 5S rRNA-Moleküle, was Störungen in der Produktion der Ribosomen hervorruft. Die Reifung der 5S rRNA ist leit langem als Prozess bekannt, der viele aufeinander folgende endonukleolytische Spaltungen sowie exonukleolytische Rezessionen beinhaltet. Bis dato war die Gesamtheit der Exonukleasen während dieser Reifung jedoch nur lückenhaft bekannt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass ERL1 eine wichtige Rolle in der Plastid-Entwicklung spielt, indem ERL1 den finalen Reifungsschritt des 5S rRNA 3‘-Endes katalysiert.

Das RNA-bindende Protein Orb2 und seine regulatorische Funktion in der Spermatogenese von Drosophila melanogaster

Das Protein Orb2, welches zum Xenopus CPEB homolog ist, erfüllt während der Spermatogenese von Drosophila melanogaster eine wesentliche Funktion. Das teilweise Ausschalten von orb2 führt zu Störungen in der Individualisierung der Spermatiden, Veränderung in der Morphologie und Lokalisation der Spermatidenkerne und damit verbunden zu männlicher Sterilität. Der weit gestreute Phänotyp spricht für eine regulatorische Funktion des Proteins, wie es aufgrund der Homologie zu CPEB zu erwarten ist. Orb2 mutante Weibchen zeigen dagegen keinen Phänotyp. Die Sterilität konnte mit spezifischen Rettungskonstrukten rückgängig gemacht werden, wobei die beiden Proteinformen in ihrer Funktion höchstwahrscheinlich äquivalent sind, da eine größere Menge an kleinem Protein das Fehlen des größeren ausgleichen kann. Beide Proteinformen lokalisieren in fast alle Stadien der Spermatogenese, wobei nur das kleinere auch in reifen Spermien persistiert. Zur Untersuchung der regulatorischen Funktion des Proteins Orb2 wurden zunächst drei mögliche Protein-Interaktionskandidaten analysiert. Obwohl ähnliche mutante Phänotypen in Gap und Cup ausgelöst wurden, lässt sich eine Interaktion bis jetzt mit diesen Kandidaten weder ausschließen noch bestätigen. Daneben zeigte das Protein Tob eine ähnliche Lokalisierung und einen deutlich ähnlicheren mutanten Phänotyp, wie er für Orb2 beschrieben wurde. Besonders auffällig ist die Lokalisation der Tob mRNA an die Spermatidenenden und die Verringerung der Transkriptmenge in der orb2-Mutante. Ob dieser Phänotyp durch den Verlust der regulatorischen Funktion von Orb2 hervorgerufen wird oder durch den späten Zeitpunkt der Transkription bedingt ist, muß in späteren Experimenten geklärt werden. Mit Hilfe eines Co-Immunpräzipitations-Experimentes wurde nach weiteren Proteininteraktionspartnern sowie nach Ziel-mRNAs gesucht, die durch Orb2 reguliert werden könnten. Dabei ergaben die massenspektrometrischen Analysen zwar Proteine, die mit der Translation selbst in Zusammenhang stehen, sowie einige regulatorische RNA-bindende Proteine, wiesen aber auch in Gestalt eines häufig nachgewiesenen Anhangsdrüsenproteins auf deutliche systematische Probleme hin. Auf genetischem Wege war bereits der Nachweis gelungen, dass die Protamine und mst77F, die strukturelle Komponenten der kompaktierten Kern-DNA sind, durch Orb2 in ihrer Translation reprimiert werden. Dieses Ergebnis wurde zum Teil bestätigt durch den Nachweis der Protamin mRNAs in den Eluaten aus dem Co-Immunpräzipitationsexperiment. Damit konnte zum ersten Mal in der Drosophila Spermatogenese das regulatorische Protein zu einer translationskontrollierten mRNA identifiziert werden.

Artificial micro RNA system in Dictyostelium discoideum

Dictyostelium discoideum is a social amoeba that serves as a model system for RNA interference and related mechanisms. Its position between plants and animals enables evolutionary snapshot of mechanisms and protein machinery involved in investigated subjects. MiRNAs are small regulatory RNAs that are evolutionary conserved and present in animals, plants, viruses and some prokaryotes. They have roles in development, cell growth and differentiation, apoptosis and their miss-regulation is associated with many diseases such as cancer, neurodegenerative disorders and diabetes. Recently, through sequencing of DNA libraries miRNAs have been discovered in D. discoideum. In this work, it has been shown that heterologues miRNA let-7 can be expressed and processed in D. discoideum. Expression of let-7 miRNA in social amoeba resulted in a strong developmental phenotype suggesting an overload of the processing/silencing system or/and endogenous targets. The various effects on prel-7 strain have been observed and characterized, serving as a background for postulation of miRNA roles. An artificial miRNA system has been established and imposed to D. discoideum, showing that miRNAs in Dictyostelium could mediate gene expression on the level of mRNA stability and on the posttranscriptional level. Furthermore, presence of translational inhibition as a type of gene control was shown for the first time in this organism. Due to it new structures representing co-localities of miRNA and target mRNA have been detected. Taken together, this work shows functional artificial miRNA system and postulates roles of endogenous small RNA in social amoeba.

Molekularbiologische Charakterisierung der Argonauten Proteine AgnA und AgnB innerhalb der RNA vermittelten Genregulation in D. discoideum

Argonauten Proteine übernehmen vielfältige Funktionen in RNA vermittelten Signalwegen zur Genregulation und sind in eukaryotischen Organismen hoch konserviert. Obwohl das Repertoire an kleinen regulatorischen RNAs in D. discoideum schon früh untersucht wurde und dabei sowohl siRNAs als auch miRNAs identifiziert werden konnten, war die Funktion der fünf kodierten Argonauten Proteine zu Beginn meiner Arbeit noch völlig unbekannt. Im Fokus meiner Untersuchung standen die zwei Homologe AgnA und AgnB. Die molekularbiologische Charakterisierung von AgnA hat gezeigt, dass das Protein eine essentielle Funktion bei der posttranskriptionellen Regulation des Retrotransposons DIRS-1 hat. AgnA wird für die Generierung von über 90 % der DIRS-1 siRNAs benötigt, wobei unklar ist, ob die Slicer-Aktivität des Proteins relevant ist oder ob AgnA andere Proteine zur Generierung der kleinen RNAs rekrutiert. Mit Hilfe der Deep Sequencing Analyse kleiner RNAs im AgnA KO konnte die Abreicherung der DIRS-1 siRNAs bestätigt werden. Die Anreicherung von DIRS-1 sense und antisense Transkripten weist deutlich auf eine Deregulation des Retrotransposons bei Abwesenheit von AgnA hin. Der Verlust der AgnA abhängigen Regulationsebene ist nicht nur auf RNA- sondern auch auf DNA-Ebene nachweisbar, da im AgnA Knockout einzelsträngige extrachromosomale DIRS-1 Intermediate nachweisbar sind. Die Analyse dieser Strukturen mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie zeigt, dass die extrachromosomale DNA mit Proteinen assoziiert ist. Das Erscheinungsbild legt die Vermutung nahe, dass es sich um Virus ähnliche Partikel handeln könnte. Die Transposition der DIRS-1 Elemente konnte nicht nachgewiesen werden. Sie schlägt vermutlich fehl, da der zur Integration notwendige DNA-Doppelstrang nicht gebildet wird. Auch wenn der genaue Mechanismus der AgnA abhängigen DIRS-1 Regulation nicht vollständig aufgeklärt werden konnte, weisen die Ergebnisse darauf hin, dass AgnA nicht nur an der Biogenese der kleinen DIRS-1 siRNAs beteiligt ist, sondern auch weiter downstream, vermutlich innerhalb von Effektorkomplexen, als Regulator aktiv ist. AgnB ist nicht an der negativen Regulation des DIRS-1 Retrotransposons beteiligt. Im Gegenteil haben Experimente gezeigt, dass das Protein die Transkription des Elementes und die Bildung von DNA-Intermediaten eher positiv beeinflusst. Im Fall des Retrotransposons Skipper ist unklar, ob die wenigen siRNAs, die identifiziert worden sind, tatsächlich für die Regulation dieses Elementes genutzt werden. Der Knockout von AgnA hat eine Anreicherung der Skipper siRNAs zur Folge, wobei diese sehr variabel ist. Es konnten Skipper Transkripte nachgewiesen werden (Hinas et al., 2007), die wahrscheinlich die Vorläufermoleküle der siRNAs darstellen. Die Menge dieser Transkripte unterscheidet sich allerdings im Wildtyp und den untersuchten Knockout-Stämmen nicht. Bei der Untersuchung der miRNAs zeigte sich eine signifikante Anreicherung dieser regulatorischen RNAs im AgnA Knockout. Die Akkumulation kann durch die Expression von rekombinantem AgnA wieder auf Wildtyp Niveau gebracht werden. Die genaue Funktion von AgnA im miRNA Signalweg konnte aber nicht näher spezifiziert werden. Im Fall der beiden miRNAs konnte im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass sie keine 2‘-O Methylierung besitzen und fast ausschließlich im Cytoplasma der Zelle vorliegen. Letzteres weist darauf hin, dass die untersuchten miRNAs ihre Zielgene vermutlich posttranskriptionell regulieren. Die Akkumulation von miRNAs im AgnA KO konnte ebenfalls durch Deep Sequencing Analysen verifiziert werden. Weiterhin wurden tRNA Fragmente gefunden, die im AgnA KO wesentlich stärker vertreten sind. Northern Blot Analysen haben gezeigt, dass ein zusätzliches Fragment der tRNA Asp akkumuliert, wenn AgnA nicht exprimiert wird. Möglicherweise ist AgnA am Umsatz der tRNA beteiligt. Die biologische Funktion der tRNA Fragmente in D. discoideum ist jedoch bisher ungeklärt. Bei der Suche nach putativen Interaktionspartnern konnte im Fall von AgnA das Protein DDB_G0268914 mittels Massenspektrometrie als putativer Interaktionspartner identifiziert werden. Dieses Protein zeigt Homologien zu MOV10 aus H. sapiens, das ebenfalls mit Argonauten Proteinen interagiert (Hock et al., 2007) und die Replikation von Retroviren unterdrückt (Burdick et al., 2010). Die Interaktion zwischen AgnA und dem MOV10 Homolog konnte bisher nicht mit anderen Ansätzen bestätigt werden. Darüber hinaus bleibt zu klären, ob der putative Interaktionsparter ebenfalls an der Regulation des Retrotransposons DIRS-1 beteiligt ist.

Neue Wege zur Proteinsynthese IRES-vermittelte Translation und die Bedeutung von dicistronischen mRNAs bei Drosophila

In dieser Arbeit ist die zentrale Frage, warum dicistronische mRNAs, eine für Eukaryoten untypische Organisation, existieren und wie die Translation des zweiten offenen Leserasters initiiert wird. In sieben von neun anfänglich ausgewählten Genkassetten werden tatsächlich nur dicistronische und keine monocistronischen Transkripte gebildet. Im Laufe der Evolution scheint diese Organisation nicht immer erhalten zu bleiben - es finden sich Hinweise für einen operonartigen Aufbau. Nach Transformation mit einem dicistronischen Reporterkonstrukt und in in vitro Translations-Assays weisen die beiden Genkassetten CG31311 und CG33009 eine interne ribosomale Eintrittstelle (IRES) auf, welche die Translation des zweiten Cistrons einleiten kann. Diese beiden IRESs lassen sich in einen Bereich von unter 100 nt eingrenzen. Die Funktionalität der beiden nachgewiesenen IRESs konnte in vivo in der männlichen Keimbahn von Drosophila bestätigt werden, nachdem das Vorhandensein von kryptischen Promotoren in diesen Bereichen ausgeschlossen wurde. Die anderen fünf Genkassetten hingegen zeigen keine IRES-Aktivität und nutzen wahrscheinlich alternative Methoden wie das leaky scanning oder ribosomal shunting zur Translation des zweiten Cistrons. In weiterführenden Analysen wurden sehr komplexe Expressionsmuster beobachtet, die nicht offensichtlich mit der beschriebenen mRNA Organisation in Einklang zu bringen sind. Bei der Genkassette CG33009 zum Beispiel wird das erste Protein während der gesamten Spermatogenese in den Keimzellen synthetisiert, wohingegen das zweite IRES-abhängig translatierte Protein in den die Keimzellen umschließenden Cystenzellen und zusätzlich in den elongierten Spermatiden auftritt. Diese zusätzliche Expression könnte auf Transportprozessen oder Neusynthese beruhen. Die Cystenzell-spezische Expression eines Fusionskonstruktes führte jedoch nicht zum Nachweis des Fusionsproteins in den Keimzellen. Somit ist eine durch die IRES-vermittelte Neusynthese in den elongierten Spermatiden wahrscheinlicher. Ein Verlust dieses IRES-abhängig translatierten Proteins in den Cystenzellen bringt die Spermatogenese zum Erliegen und belegt somit dessen essentielle Funktion. Bei der Genkassette CG31311 kommt es auch zu einer bemerkenswerten Auffälligkeit in der Expression. Während im Hodengewebe große Mengen an Transkript vorhanden sind, die aber nicht zu nachweisbaren Mengen an Protein führen, lässt sich in den Ommatidien ein differenziertes Expressionsmuster für beide Proteine dokumentieren, obwohl die Transkriptmenge hier unterhalb der Nachweisgrenze liegt. Diese Beobachtung suggeriert eine drastische Kontrolle auf Translationsebene, die für das Hodengewebe zum Beispiel in einer Verzögerung der Translation bis nach der Befruchtung bestehen könnte (paternale mRNA). Erste Ansätze zeigen die Interaktion der IRES von CG33009 mit RNA-bindenden Proteinen, potentiellen ITAFs (IRES trans-acting factors), deren Bindung sequenzspezisch erfolgt. In weiteren Experimenten wäre zu testen, ob die hier identifizierten IRESs mit den gleichen oder mit unterschiedlichen Proteinen interagieren.

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.