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.

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.

Plant U13 orthologues and orphan snoRNAs identified by RNomics of RNA from Arabidopsis nucleoli

Small nucleolar RNAs (snoRNAs) and small Cajal body-specific RNAs (scaRNAs) are non-coding RNAs whose main function in eukaryotes is to guide the modification of nucleotides in ribosomal and spliceosomal small nuclear RNAs, respectively. Full-length sequences of Arabidopsis snoRNAs and scaRNAs have been obtained from cDNA libraries of capped and uncapped small RNAs using RNA from isolated nucleoli from Arabidopsis cell cultures. We have identified 31 novel snoRNA genes (9 box C/D and 22 box H/ACA) and 15 new variants of previously described snoRNAs. Three related capped snoRNAs with a distinct gene organization and structure were identified as orthologues of animal U13snoRNAs. In addition, eight of the novel genes had no complementarity to rRNAs or snRNAs and are therefore putative orphan snoRNAs potentially reflecting wider functions for these RNAs. The nucleolar localization of a number of the snoRNAs and the localization to nuclear bodies of two putative scaRNAs was confirmed by in situ hybridization. The majority of the novel snoRNA genes were found in new gene clusters or as part of previously described clusters. These results expand the repertoire of Arabidopsis snoRNAs to 188 snoRNA genes with 294 gene variants.

Nuclear magnetic resonance structure shows that the severe acute respiratory syndrome coronavirus-unique domain contains a macrodomain fold

The nuclear magnetic resonance (NMR) structure of a central segment of the previously annotated severe acute respiratory syndrome (SARS)-unique domain (SUD-M, for "middle of the SARS-unique domain") in SARS coronavirus (SARS-CoV) nonstructural protein 3 (nsp3) has been determined. SUD-M(513-651) exhibits a macrodomain fold containing the nsp3 residues 528 to 648, and there is a flexibly extended N-terminal tail with the residues 513 to 527 and a C-terminal flexible tail of residues 649 to 651. As a follow-up to this initial result, we also solved the structure of a construct representing only the globular domain of residues 527 to 651 [SUD-M(527-651)]. NMR chemical shift perturbation experiments showed that SUD-M(527-651) binds single-stranded poly(A) and identified the contact area with this RNA on the protein surface, and electrophoretic mobility shift assays then confirmed that SUD-M has higher affinity for purine bases than for pyrimidine bases. In a further search for clues to the function, we found that SUD-M(527-651) has the closest three-dimensional structure homology with another domain of nsp3, the ADP-ribose-1 ''-phosphatase nsp3b, although the two proteins share only 5% sequence identity in the homologous sequence regions. SUD-M(527-651) also shows three-dimensional structure homology with several helicases and nucleoside triphosphate-binding proteins, but it does not contain the motifs of catalytic residues found in these structural homologues. The combined results from NMR screening of potential substrates and the structure-based homology studies now form a basis for more focused investigations on the role of the SARS-unique domain in viral infection.

NMR structure shows that the SARS-unique domain contains a macrodomain fold

The NMR structure of a central segment of the previously annotated "SARS-unique domain" (SUD-M; "middle of the SARS-unique domain") in the SARS coronavirus (SARS-CoV) non-structural protein 3 (nsp3) has been determined. SUD-M(513-651) exhibits a macrodomain fold containing the nsp3-residues 528-648, and there is a flexibly extended N-terminal tail with the residues 513-527 and a C-terminal flexible tail of residues 649-651. As a follow-up to this initial result, we also solved the structure of a construct representing only the globular domain of residues 527-651 [SUD-M(527-651)]. NMR chemical shift perturbation experiments showed that SUD-M(527-651) binds single-stranded poly-A and identified the contact area with this RNA on the protein surface, and electrophoretic mobility shift assays then confirmed that SUD-M has higher affinity for purine bases than for pyrimidine bases. In further search for clues to the function, we found that SUD-M(527-651) has the closest three-dimensional structure homology with another domain of nsp3, the ADP-ribose-1''-phosphatase nsp3b, although the two proteins share only 5% sequence identity in the homologous sequence regions. SUD-M(527-651) also shows 3D structure homology with several helicases and NTP-binding proteins, but it does not contain the motifs of catalytic residues found in these structural homologues. The combined results from NMR screening of potential substrates and the structure-based homology studies now form a basis for more focused investigations on the role of the SARS-unique domain in viral infection.

A simple and rapid method for preserving RNA of aquatic invertebrates for ecotoxicogenomics

Here we describe a novel, inexpensive and simple method for preserving RNA that reduces handling stress in aquatic invertebrates following ecotoxicogenomic experimentation. The application of the method is based on transcriptomic experiments conducted on Daphnia magna, but may easily be applied on a range of other aquatic organisms of a particular size with e.g. amphipod Gammarus pulex representing an upper size limit. We explain in detail how to apply this new method, named the "Cylindrical Sieve (CS) system", and highlight its advantages and disadvantages.

Mass spectroscopic characterization of the coronavirus infectious bronchitis virus nucleoprotein and elucidation of the role of phosphorylation in RNA binding by using surface plasmon resonance

Phosphorylation of the coronavirus nucleoprotein (N protein) has been predicted to play a role in RNA binding. To investigate this hypothesis, we examined the kinetics of RNA binding between nonphosphorylated and phosphorylated infectious bronchitis virus N protein with nonviral and viral RNA by surface plasmon resonance (Biacore). Mass spectroscopic analysis of N protein identified phosphorylation sites that were proximal to RNA binding domains. Kinetic analysis, by surface plasmon resonance, indicated that nonphospborylated N protein bound with the same affinity to viral RNA as phosphorylated N protein. However, phosphorylated N protein bound to viral RNA with a higher binding affinity than nonviral RNA, suggesting that phosphorylation of N protein determined the recognition of virus RNA. The data also indicated that a known N protein binding site (involved in transcriptional regulation) consisting of a conserved core sequence present near the 5' end of the genome (in the leader sequence) functioned by promoting high association rates of N protein binding. Further analysis of the leader sequence indicated that the core element was not the only binding site for N protein and that other regions functioned to promote high-affinity binding.

Factors required for the uridylylation of the foot-and-mouth disease virus 3B1, 3B2, and 3B3 peptides by the RNA-dependent RNA polymerase (3D(pol)) in vitro

The 5' terminus of picornavirus genomic RNA is covalently linked to the virus-encoded peptide 313 (VTg). Foot-and-mouth disease virus (FMDV) is unique in encoding and using 3 distinct forms of this peptide. These peptides each act as primers for RNA synthesis by the virus-encoded RNA polymerase 3D(pol). To act as the primer for positive-strand RNA synthesis, the 3B peptides have to be uridylylated to form VPgpU(pU). For certain picornaviruses, it has been shown that this reaction is achieved by the 3D(pol) in the presence of the 3CD precursor plus an internal RNA sequence termed a cis-acting replication element (cre). The FMDV ere has been identified previously to be within the 5' untranslated region, whereas all other picornavirus cre structures are within the viral coding region. The requirements for the in vitro uridylylation of each of the FMDV 313 peptides has now been determined, and the role of the FMDV ere (also known as the 3B-uridylylation site, or bus) in this reaction has been analyzed. The poly(A) tail does not act as a significant template for FMDV 3B uridylylation.

An RNA molecule that specifically inhibits G-protein-coupled receptor kinase 2 in vitro

G-protein-coupled receptors are desensitized by a two-step process. In a first step, G-protein-coupled receptor kinases (GRKs) phosphorylate agonist-activated receptors that subsequently bind to a second class of proteins, the arrestins. GRKs can be classified into three subfamilies, which have been implicated in various diseases. The physiological role(s) of GRKs have been difficult to study as selective inhibitors are not available. We have used SELEX (systematic evolution of ligands by exponential enrichment) to develop RNA aptamers that potently and selectively inhibit GRK2. This process has yielded an aptamer, C13, which bound to GRK2 with a high affinity and inhibited GRK2-catalyzed rhodopsin phosphorylation with an IC50 of 4.1 nM. Phosphorylation of rhodopsin catalyzed by GRK5 was also inhibited, albeit with 20-fold lower potency (IC50 of 79 nM). Furthermore, C13 reveals significant specificity, since almost no inhibitory activity was detectable testing it against a panel of 14 other kinases. The aptamer is two orders of magnitude more potent than the best GRK2 inhibitors described previously and shows high selectivity for the GRK family of protein kinases.

Induction of aquaporin 1 but not aquaporin 4 messenger RNA in rat primary brain microvessel endothelial cells in culture

Aquaporins (AQPs) are a family of proteins that mediate water transport across cells, but the extent to which they are involved in water transport across endothelial cells of the blood-brain barrier is not clear. Expression of AQP1 and AQP4 in rat brain microvessel endothelial cells was investigated in order to determine whether these isoforms were present and, in particular, to examine the hypothesis that brain endothelial expression of AQPs is dynamic and regulated by astrocytic influences. Reverse-transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR) and immunocytochemistry showed that AQP1 mRNA and protein are present at very low levels in primary rat brain microvessel endothelial cells, and are up-regulated in passaged cells. Upon passage, endothelial cell expression of mdr1a mRNA is decreased, indicating loss of blood-brain barrier phenotype. In passage 4 endothelial cells, AQP1 mRNA levels are reduced by coculture above rat astrocytes, demonstrating that astrocytic influences are important in maintaining the low levels of AQP1 characteristic of the blood-brain barrier endothelium. Reverse-transcriptase-PCR revealed very low levels of AQP1 mRNA present in the RBE4 rat brain microvessel endothelial cell line, with no expression detected in primary cultures of rat astrocytes or in the C6 rat glioma cell line. In contrast, AQP4 mRNA is strongly expressed in astrocytes, but no expression is found in primary or passaged brain microvessel endothelial cells, or in RBE4 or C6 cells. Our results support the concept that expression of AQP1, which is seen in many non-brain endothelia, is suppressed in the specialized endothelium of the blood-brain barrier.

Ribose 2′-O-methylation provides a molecular signature for the distinction of self and non-self mRNA dependent on the RNA sensor Mda5

The 5'-cap-structures of higher eukaryote mRNAs are ribose 2'-O-methylated. Likewise, a number of viruses replicating in the cytoplasm of eukayotes have evolved 2'-O-methyltransferases to modify autonomously their mRNAs. However, a defined biological role of mRNA 2'-O-methylation remains elusive. Here we show that viral mRNA 2'-O-methylation is critically involved in subversion of type-I-interferon (IFN-I) induction. We demonstrate that human and murine coronavirus 2'-O-methyltransferase mutants induce increased IFN-I expression, and are highly IFN-I sensitive. Importantly, IFN-I induction by 2'-O-methyltransferase-deficient viruses is dependent on the cytoplasmic RNA sensor melanoma differentiation-associated gene 5 (MDA5). This link between MDA5-mediated sensing of viral RNA and mRNA 2'-O-methylation suggests that RNA modifications, such as 2'-O-methylation, provide a molecular signature for the discrimination of self and non-self mRNA.