Biologische Funktionsanalyse und Identifizierung neuer Substrate der Methyltransferase Dnmt2

Obwohl die DNA Methyltransferase 2 (Dnmt2) hoch konserviert ist und zu der am weitesten verbreiteten eukaryotischen MTase-Familie gehört, ist ihre biologische Funktion nach wie vor unklar. Nachdem lange Zeit keine DNA Methylierungsaktivität nachgewiesen werden konnte, wurde vor einigen Jahren über geringe Mengen an 5-Methylcytosin (5mC) in Retroelementen der “Dnmt2-only”-Organismen D. melanogaster, D. discoideum und E. histolytica berichtet (Kunert et al. 2003; Fisher et al. 2004; Kuhlmann et al. 2005; Phalke et al. 2009). Als kurze Zeit später robuste Methylierung der tRNAAsp durch humane Dnmt2 gezeigt wurde (Goll et al. 2006), wurde zunächst eine Dualspezifität des Enzyms vorgeschlagen (Jeltsch et al. 2006). Neuere Daten zum 5mC-Status verschiedener „Dnmt2-only“-Organismen bilden Anlass für kontroverse Diskussionen über Ausmaß und Bedeutung der DNA Methyltransferaseaktivität von Dnmt2 (Schaefer et al. 2010a; Krauss et al. 2011). Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Identifizierung neuer RNA Substrate des Dnmt2-Homologs DnmA aus D. discoideum sowie die biologische Bedeutung der tRNA-Methylierung durch Dnmt2. Wie in anderen Organismen beschrieben, fungiert auch DnmA als tRNAAsp(GUC) MTase in vitro und in vivo. Zusätzlich konnte in vitro tRNAGlu(UUC) als neues Substrat der Dnmt2-Homologe aus D. discoideum und dem Menschen identifiziert werden. In einem Kooperationsprojekt wurde außerdem auch tRNAAsp-Methylierungsaktivität für das Dnmt2-Homolog aus S. pombe (Pmt1) nachgewiesen. Crosslink-RNA-Immunopräzipitationen (RNA-CLIP) mit anschließender Next-Generation-Sequenzierung der mit DnmA assoziierten RNAs zeigen, dass DnmA mit tRNA Fragmenten interagiert, die sich vom Anticodonloop bis in den T-loop erstrecken. Neben der tRNAAsp(GUC) und tRNAGlu(UUC/CUC) sind Fragmente der tRNAGly(GCC) verstärkt angereichert. Inwiefern diese Fragmente eine biologische Funktion haben oder spezifische Degradationsprodukte darstellen, ist noch ungeklärt. Interessanterweise sind von einigen tRNAs wenige Sequenzen von antisense-Fragmenten in den RNA-CLIP Daten zu finden, die etwas kürzer, jedoch exakt komplementär zu den genannten sense-Fragmenten sind. Besonders stark sind diese Fragmente der tRNAGlu(UUC) vertreten. In einem weiteren RNA-CLIP Experiment wurden U-snRNAs, snoRNA und intergenische Sequenzen mit DnmA angereichert. Bei nachfolgenden in vitro Methylierungsstudien konnte ausschließlich die U2-snRNA als potentielles Nicht-tRNA-Substrat der hDnmt2 und DnmA identifiziert werden. Da tRNA Modifikationen im Anticodonloop die Codonerkennung beeinflussen können, wurde ein System etabliert um die Translationseffizienz eines GFP-Reportergens in Wildtyp- und dnmAKO-Zellen zu messen. In D. discoideum wird das Aspartat-Codon GAU ca. zehnmal häufiger genutzt als das GAC Codon, allerdings ist nur eine tRNAAsp(GUC) im Genom der Amöbe kodiert. Aus diesem Grund wurde zusätzlich die Frage adressiert, inwiefern die DnmA-abhängige Methylierung dieser tRNA das „Wobbling“ beeinflusst. Dazu wurde dem Reportergen jeweils eine (GAU)5- und (GAC)5-Leadersequenz vorgeschaltet. Entgegen der Annahme wurde der (GAC)5-Leader in beiden Stämmen etwas effizienter translatiert. Insgesamt zeigte der dnmAKO-Stamm eine leicht erhöhte Translationseffizienz der Reportergene. Vergleichende Analysen zur Aufnahme von Fremd-DNA zeigten signifikant reduzierte Transformationseffizienzen mit einem integrierenden Plasmid in dnmAKO-Zellen. Ein weiterer dnmAKO-Stamm zeigte diesen Effekt jedoch nicht, wobei bei derselben Mutante eine deutlich reduzierte Aufnahme eines extrachromosomalen Plasmids zu verzeichnen war. Untersuchungen zum Einfluss von DnmA auf die Regulation des Retroelements skipper ergaben keinen Zusammenhang zwischen der Generierung kleiner RNAs und der erhöhten Transkription des Retrotransposons in dnmAKO-Zellen (Kuhlmann et al. 2005). Durch Kompensationsversuche sowie Experimente mit einer weiteren dnmAKO-Mutante konnte die Mobilisierung des Retrotransposons nicht eindeutig als DnmA-Funktion eingeordnet werden. In einem weiteren Projekt wurden die Bindung des m5C-bindenden Proteins EhMLBP aus E. histolytica an DNA mittels Rasterkraftmikroskopie abgebildet (Lavi et al. 2006). Neben vermutlich unspezifischen Endbindungsereignissen konnte eine bevorzugte Bindungsstelle des Proteins an LINE DNA (long intersperesed nuclear element) identifiziert werden. Möglicherweise fällt diese mit einem von zwei A/T-reichen Bereichen der LINE DNA zusammen, von denen vermutet wird, dass diese für die Bindung von EhMLBP an DNA von Bedeutung sind. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse dieser Arbeit die tRNAAsp Methylierungsaktivität als konservierte Dnmt2-Funktion. Darüber hinaus erweitern sie das Substratspektrum der Dnmt2-Methyltransferasen im Bereich der tRNA. Außerdem wird erstmals ein potentielles Nicht-tRNA Substrat vorgeschlagen. Zusätzlich geben neu entdeckte Phänotypen Hinweise auf vielfältige zelluläre Dnmt2-Funktionen.

Translationskontrolle in der Spermatogenese von Drosophila: Charakterisierung eines regulatorischen mRNP-Komplexes

Während der Spermatogenese von Drosophila werden viele mRNAs zwar vor der Meiose transkribiert, dann aber durch Komplexbildung mit Proteinen stillgelegt und erst am Ende der Spermienentwicklung durch Veränderung desselben für die Translation freigegeben. Ein Beispiel hierfür ist die Mst87F mRNA. Während das cis-agierende Sequenzelement in der RNA seit langem bekannt ist, gestaltete sich die Suche nach den trans-agierenden RNA-bindenden Proteinen schwierig. In meiner Diplomarbeit (Stinski, 2007) waren mithilfe von präparativen Shift-Experimenten (Auftrennung von RNP-Komplexen im elektrischen Feld) zwei vielversprechende Kandidaten identifiziert worden, die Proteine Exuperantia (Exu) und Purity of Essence (Poe). Ziel der vorliegenden Dissertation war zum einen die Aufklärung der Funktion dieser Kandidatenproteine und zum anderen die Identifizierung weiterer Kandidaten, die an der Komplexbildung und damit an der Regulation beteiligt sind. Dabei war die Hoffnung, sowohl Proteine zu finden, die die Repression vermitteln, als auch solche, die am Ende die Aktivierung ermöglichen. Durch eine Affinitätsreinigung, in der Mst87F-RNA mit einem ms2-Tag versehen über das MS2-Maltose binding protein an eine Amylose-Matrix gebunden und schließlich die Komplexe mit Maltose wieder eluiert wurden, ließen sich erneut das Exu-Protein und drei neue Kandidaten identifizieren: CG3213, CG12470 und CG1898. Das Protein Exu hat eindeutig eine Funktion bei der Translationskontrolle: seine Abwesenheit führt zum Abbau der kontrollierten mRNAs. Die Inkubation mit exu-defizientem Protein-Extrakt (aus Hoden) unterstützt keine RNP-Komplexbildung und aufgereinigtes Exu-His Fusionsprotein kann auch nicht direkt an die Mst87F mRNA binden. Ein exu-defizienter Proteinextrakt lässt sich aber durch die Zugabe von rekombinantem Exu-His komplettieren und es entsteht wieder ein starker mRNP-Komplex. Dies beweist, dass das Experiment im Prinzip korrekt verläuft und dass Exu für die Komplexbildung entscheidend ist. Darüber hinaus konnten durch eine Co-Immunpräzipitation mit dem Exu-GFP Fusionsprotein sowohl interagierende Proteine als auch in die RNP-Komplexe einbezogene mRNAs nachgewiesen werden. Vielversprechende Kandidatenproteine stammen von den Genen CG3213, dfmr1 und CG12470. Die durch cDNA-Synthese in den Komplexen nachgewiesenen mRNAs sind in aller Regel solche, die der Translationskontrolle unterworfen sind. Damit ist gezeigt, dass Exu Teil eines großen Proteinkomplexes ist oder zumindest mit ihm assoziiert ist, der auf viele translationskontrollierte Transkripte Einfluss nimmt. Die Mst87F mRNA wird zum Zeitpunkt der Translationsaktivierung sekundär polyadenyliert, das heißt ihre Länge wird größer und heterogen. In einer Mutante für das Kandidatengen poe wurde diese sekundäre Polyadenylierung plötzlich nicht mehr beobachtet und die RNA blieb auch bei Translationsaktivierung so groß wie in den frühen Stadien. So ergab sich die Möglichkeit, endlich zu prüfen, ob die sekundäre Polyadenylierung für die Translationsaktivierung von essentieller Bedeutung ist. Eine Serie von Fusionskonstrukten mit funktionstüchtigem TCE verhielten sich alle gleich. Die sekundäre Polyadenylierung fand nicht statt, aber das Transkript des Fusionsgens wurde zum richtigen Zeitpunkt translatiert. Somit ist dieser Prozess zumindest nicht generell für eine Translation zu diesem späten Zeitpunkt in der Spermiogenese notwendig. Ein quantitativer Effekt kann allerdings nicht ausgeschlossen werden. Des Weiteren konnten mit antisense Konstrukten mutante Phänotypen erzeugt werden. Solche Männchen waren ausnahmslos steril, was die Wichtigkeit des Proteins Poe für den Prozess der Spermienreifung belegt. Die Defekte zeigen sich spät während der Individualisierung, was mit der vermuteten Funktion übereinstimmen würde. Das Kandidatenprotein dFMR1 bindet allein an die Mst87F RNA und trägt zur Stärke des beobachtbaren Komplexes bei. Die Komplexbildung zeigt Salzabhängigkeit, wie sie für dFMR1 in anderen Zusammenhängen dokumentiert wurde. Dies unterstützt die obige Aussage und suggeriert, dass dFMR1 die Basis für den Komplexaufbau bildet. Das CPEB-homologe Kandidatenprotein Orb2 bindet ebenfalls allein an die Mst87F mRNA, hat aber keinen Einfluss auf die Repression oder die sekundäre Polyadenylierung. Eine Beteiligung an der Regulation wäre demnach eindeutig unterschiedlich zu der in anderen Fällen dokumentierten Rolle. Die Expression der Kandidatengene CG1898, CG3213 und CG12470 ist konform mit einer unterschiedlichen Beteiligung an der Translationskontrolle. Das erste Protein ist nur in prämeiotischen Stadien, das zweite durchgängig und das dritte nur in postmeiotischen Stadien nachzuweisen, was einer Funktion bei der Stillegung, während der gesamten inaktiven Phase bzw. bei der Aktivierung entsprechen könnte. Die verschiedenen Experimente identifizieren in mehreren Fällen die gleichen Kandidatenproteine und untermauern damit deren Bedeutung. Sie lassen vielfach konkrete Schlüsse auf die Art der Interaktionen zu, welche in einem Schema zusammengefasst werden.

Funktion und Biogenese kleiner RNAs in Dictyostelium discoideum

RNA mediated gene silencing pathways are highly conserved among eukaryotes and they have been well investigated in animals and in plants. Longer dsRNA molecules trigger the silencing pathways: RNase III proteins and their dsRNA binding protein (dsRBP) partners recognize those molecules as a substrate and process 21 nucleotide long microRNAs (miRNAs) or small interfering RNAs (siRNAs). Some organisms encode RNA dependent RNA polymerases (RdRPs), which are able to expand the pool of existing siRNAs. Argonaute proteins are able to bind small regulatory RNAs and are subsequently recruited to target mRNAs by base complementary. This leads in turn to transcriptional or posttranscriptional silencing of respective genes. The Dictyostelium discoideum genome encodes two Dicer homologues (DrnA and DrnB), five Argonaute proteins (AgnA to AgnE) and three RdRPs (RrpA to RrpC). In addition, the amoeba is known to express miRNAs and siRNAs, while the latter derive mainly from the DIRS-1 retrotransposon. One part of this work focused on the miRNA biogenesis pathway of D. discoideum. It was shown that the dsRNA binding protein RbdB is a necessary component for miRNA processing in the amoeba. There were no mature miRNAs detectable by Northern blot analysis in rbdB- strains, which is also true for drnB mutants. Moreover, primary miRNA-transcripts (pri-miRNAs) accumulated in rbdB- and drnB- strains. Fluorescence microscopy studies showed a nuclear localization of RbdB. RbdB accumulated in distinct perinucleolar foci. These were reminiscent of plant dicing bodies that contain essential protein components for miRNA processing. It is well known that RNase III enzymes and dsRBPs work together during miRNA processing in higher eukaryotes. This work demonstrated that the same is true for members of the amoebozoa supergroup. In Arabidopsis the nuclear zinc finger protein Serrate (SE) is also necessary for miRNA processing. The D. discoideum homologue SrtA, however, is not relevant which has been shown by the analysis of the respective knockdown strain. MiRNAs are known to be differentially expressed in several RNAi knockout strains. The accumulation of miRNAs in agnA- strains and a strong decrease in rbdB- strains were criteria that could thus be successfully used (among others) to identify and validate new miRNAs candidates by Illumina®-RNA sequencing. In another part of this study, the silencing and amplification of the DIRS-1 retrotransposons was analyzed in more detail. It was already known that DIRS-1 transcripts and extrachromosomal DIRS-1 DNA molecules accumulated in agnA- strains. This phenotype was correlated with the loss of endogenous DIRS-1 siRNAs in the knockout strain. By deep sequencing analysis of small RNAs from the AX2 wild type and the agnA- strain, the strong decrease of endogenous DIRS-1 siRNAs in the mutant strain (accounting for 70 %) could be confirmed. Further analysis of the data revealed an unequal distribution of DIRS-1 derived siRNAs along the retroelement in the wild type strain, since only very few of them matched the inverted terminal repeats (ITRs) and the 5’- half of the first open reading frame (ORF). Besides, sense and antisense siRNAs were asymmetrically distributed, as well. By using different reporter constructs it was shown indirectly that AgnA is necessary for the RrpC mediated production of secondary DIRS-1 siRNAs. These analyses also demonstrated an amplification of siRNAs in 5’- and in 3’-direction. Further analysis of the agnA- strain revealed that not only DIRS-1 sense transcripts but also ORF2 and ORF3 encoded proteins were enriched. In contrast, the ORF1 encoded protein GAG was equally expressed in the mutant and the wild type. This might reflect the unequal distribution of endogenous DIRS-1 siRNAs along the retrotransposon. Southern Blot and PCR-analyses showed that extrachromosomal DIRS-1 DNA molecules are present in the cytoplasm of angA- strains and that they are complementary to sense transcripts of intact DIRS-1 elements. Thus, the extrachromosomal DIRS-1 intermediates are likely incomplete cDNA molecules generated by the DIRS-1 encoded reverse transcriptase. One could hypothesize that virus like particles (VLPs) are the places of DIRS-1 cDNA synthesis. At least, DIRS-1 GAG proteins interact and fluorescence microscopy studies showed that they localize in distinct cytoplasmic foci which accumulate in close proximity to the nuclei.

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.

Modification of hemicellulose content by antisense down-regulation of UDP-glucuronate decarboxylase in tobacco and its consequences for cellulose extractability

Extractability and recovery of cellulose from cell walls influences many industrial processes and also the utilisation of biomass for energy purposes. The utility of genetic manipulation of lignin has proven potential for optimising such processes and is also advantageous for the environment. Hemicelluloses, particularly secondary wall xylans, also influence the extractability of cellulose. UDP-glucuronate decarboxylase produces UDP-xylose, the precursor for xylans and the effect of its down-regulation on cell wall structure and cellulose extractability in transgenic tobacco has been investigated. Since there are a number of potential UDP-glucuronate decarboxylase genes, a 490 bp sequence of high similarity between members of the family, was chosen for general alteration of the expression of the gene family. Sense and antisense transgenic lines were analysed for enzyme activity using a modified and optimised electrophoretic assay, for enzyme levels by western blotting and for secondary cell wall composition. Some of the down-regulated antisense plants showed high glucose to xylose ratios in xylem walls due to less xylose-containing polymers, while arabinose and uronic acid contents, which could also have been affected by any change in UDP-xylose provision, were unchanged. The overall morphology and stem lignin content of the modified lines remained little changed compared with wild-type. However, there were some changes in vascular organisation and reduction of xylans in the secondary walls was confirmed by immunocytochemistry. Pulping analysis showed a decreased pulp yield and a higher Kappa number in some lines compared with controls, indicating that they were less delignified, although the level of residual alkali was reduced. Such traits probably indicate that lignin was less available for removal in a reduced background of xylans. However, the viscosity was higher in most antisense lines, meaning that the cellulose was less broken-down during the pulping process. This is one of the first studies of a directed manipulation of hemicellulose content on cellulose extractability and shows both positive and negative outcomes.

Modification of hemicellulose content by antisense down-regulation of UDP-glucuronate decarboxylase in tobacco and its conscequence for cellulose extractability

Extractability and recovery of cellulose from cell walls influences many industrial processes and also the utilisation of biomass for energy purposes. The utility of genetic manipulation of lignin has proven potential for optimising such processes and is also advantageous for the environment. Hemicelluloses, particularly secondary wall xylans, also influence the extractability of cellulose. UDP-glucuronate decarboxylase produces UDP-xylose, the precursor for xylans and the effect of its down-regulation on cell wall structure and cellulose extractability in transgenic tobacco has been investigated. Since there are a number of potential UDP-glucuronate decarboxylase genes, a 490 bp sequence of high similarity between members of the family, was chosen for general alteration of the expression of the gene family. Sense and antisense transgenic lines were analysed for enzyme activity using a modified and optimised electrophoretic assay, for enzyme levels by western blotting and for secondary cell wall composition. Some of the down-regulated antisense plants showed high glucose to xylose ratios in xylem walls due to less xylose-containing polymers, while arabinose and uronic acid contents, which could also have been affected by any change in UDP-xylose provision, were unchanged. The overall morphology and stem lignin content of the modified lines remained little changed compared with wild-type. However, there were some changes in vascular organisation and reduction of xylans in the secondary walls was confirmed by immunocytochemistry. Pulping analysis showed a decreased pulp yield and a higher Kappa number in some lines compared with controls, indicating that they were less delignified, although the level of residual alkali was reduced. Such traits probably indicate that lignin was less available for removal in a reduced background of xylans. However, the viscosity was higher in most antisense lines, meaning that the cellulose was less broken-down during the pulping process. This is one of the first studies of a directed manipulation of hemicellulose content on cellulose extractability and shows both positive and negative outcomes.

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.