The transcript release factor PTRF augments ribosomal gene transcription by facilitating reinitiation of RNA polymerase I

Termination of murine rDNA transcription by RNA polymerase I (Pol I) requires pausing of Pol I by terminator-bound TTF-I (transcription termination factor for Pol I), followed by dissociation of the ternary complex by PTRF (Pol I and transcript release factor). To examine the functional correlation between transcription termination and initiation, we have compared transcription on terminator-containing and terminator-less rDNA templates. We demonstrate that terminated RNA molecules are more efficiently synthesized than run-off transcripts, indicating that termination facilitates reinitiation. Transcriptional enhancement is observed in multiple- but not single-round transcription assays measuring either promoter-dependent or promoter-independent Pol I transcription. Increased synthesis of terminated transcripts is observed in crude extracts but not in a PTRF-free reconstituted transcription system, indicating that PTRF-mediated release of pre-rRNA is responsible for transcriptional enhancement. Consistent with PTRF serving an important role in modulating the efficiency of rRNA synthesis, PTRF exhibits pronounced charge heterogeneity, is phosphorylated at multiple sites and fractionates into transcriptionally active and inactive forms. The results suggest that regulation of PTRF activity may be an as yet unrecognized means to control the efficiency of ribosomal RNA synthesis.

Nucleotide sequence of the nifH gene coding for nitrogen reductase in the acetic acid bacterium Acetobacter diazotrophicus

The nifH gene sequence of the nitrogen-fixing bacterium Acetobacter diazotrophicus was determined with the use of the polymerase chain reaction and universal degenerate oligonucleotide primers. The gene shows highest pair-wise similarity to the nifH gene of Azospirillum brasilense. The phylogenetic relationships of the nifH gene sequences were compared with those inferred from 16S rRNA gene sequences. Knowledge of the sequence of the nifH gene contributes to the growing database of nifH gene sequences, and will allow the detection of Acet. diazotrophicus from environmental samples with nifH gene-based primers.

RNA polymerase I promoter and splice acceptor site recognition affect gene expression in non-pathogenic Leishmania species

Leishmania (Sauroleishmania) tarentolae has biotechnological potential for use as live vaccine against visceral leishmaniasis and as a system for the over expression of eukaryotic proteins that possess accurate post-translational modifications. For both purposes, new systems for protein expression in this non-pathogenic protozoan are necessary. The ribosomal RNA promoter proved to be a stronger transcription driver since its use yielded increased levels of recombinant protein in organisms of both genera Trypanosoma or Leishmania. We have evaluated heterologous expression systems using vectors with two different polypyrimidine tracts in the splice acceptor site by measuring a reporter gene transcribed from L. tarentolae RNA polymerase I promoter. Our data indicate that the efficiency of chloramphenicol acetyl transferase expression changed drastically with homologous or heterologous sequences, depending on the polypyrimidine tract used in the construct and differences in size and/or distance from the AG dinucleotide. In relation to the promoter sequence the reporter expression was higher in heterologous lizard-infecting species than in the homologous L. tarentolae or in the mammalian-infecting L. (Leishmania) amazonensis.

Footprints of a trypanosomatid RNA world: pre-small subunit rRNA processing by spliced leader addition trans-splicing

The addition of a capped mini-exon [spliced leader (SL)] through trans-splicing is essential for the maturation of RNA polymerase (pol) II-transcribed polycistronic pre-mRNAs in all members of the Trypanosomatidae family. This process is an inter-molecular splicing reaction that follows the same basic rules of cis-splicing reactions. In this study, we demonstrated that mini-exons were added to precursor ribosomal RNA (pre-rRNA) are transcribed by RNA pol I, including the 5' external transcribed spacer (ETS) region. Additionally, we detected the SL-5'ETS molecule using three distinct methods and located the acceptor site between two known 5'ETS rRNA processing sites (A' and A1) in four different trypanosomatids. Moreover, we detected a polyadenylated 5'ETS upstream of the trans-splicing acceptor site, which also occurs in pre-mRNA trans-splicing. After treatment with an indirect trans-splicing inhibitor (sinefungin), we observed SL-5'ETS decay. However, treatment with 5-fluorouracil (a precursor of RNA synthesis that inhibits the degradation of pre-rRNA) led to the accumulation of SL-5'ETS, suggesting that the molecule may play a role in rRNA degradation. The detection of trans-splicing in these molecules may indicate broad RNA-joining properties, regardless of the polymerase used for transcription.

Quest for Orthologs Entails Quest for Tree of Life: In Search of the Gene Stream.

Quest for Orthologs (QfO) is a community effort with the goal to improve and benchmark orthology predictions. As quality assessment assumes prior knowledge on species phylogenies, we investigated the congruency between existing species trees by comparing the relationships of 147 QfO reference organisms from six Tree of Life (ToL)/species tree projects: The National Center for Biotechnology Information (NCBI) taxonomy, Opentree of Life, the sequenced species/species ToL, the 16S ribosomal RNA (rRNA) database, and trees published by Ciccarelli et al. (Ciccarelli FD, et al. 2006. Toward automatic reconstruction of a highly resolved tree of life. Science 311:1283-1287) and by Huerta-Cepas et al. (Huerta-Cepas J, Marcet-Houben M, Gabaldon T. 2014. A nested phylogenetic reconstruction approach provides scalable resolution in the eukaryotic Tree Of Life. PeerJ PrePrints 2:223) Our study reveals that each species tree suggests a different phylogeny: 87 of the 146 (60%) possible splits of a dichotomous and rooted tree are congruent, while all other splits are incongruent in at least one of the species trees. Topological differences are observed not only at deep speciation events, but also within younger clades, such as Hominidae, Rodentia, Laurasiatheria, or rosids. The evolutionary relationships of 27 archaea and bacteria are highly inconsistent. By assessing 458,108 gene trees from 65 genomes, we show that consistent species topologies are more often supported by gene phylogenies than contradicting ones. The largest concordant species tree includes 77 of the QfO reference organisms at the most. Results are summarized in the form of a consensus ToL (http://swisstree.vital-it.ch/species_tree) that can serve different benchmarking purposes.

Variability in ribosomal DNA genic and spacer regions in Verticillium dahliae isolates from different hosts

Using PCR-based assays with specific primers for amplification of the ribosomal DNA intergenic spacer region (IGS) and a portion of the mitochondrial DNA small subunit ribosomal RNA gene (mtDNA SSU rRNA), the genetic variability among Verticillium dahliae isolates from olive (Olea europaea) and other host species from Argentina and Brazil was estimated. The derived UPGMA-generated phenograms based upon the restriction fingerprinting data of rDNA IGS products revealed genetic differences, correlating with the host of origin. Isolates infecting olive genetically distinct from those from cocoa (Theobroma cacao) and sunflower (Helianthus annuus). Digestion of mitochondrial DNA SSU rRNA PCR products revealed less variability, distinguishing only one isolate from sunflower. Ribosomal DNA ITS restriction patterns were identical for all isolates of V. dahliae, irrespective of host of origin. These preliminary results may have relevance for Verticillium wilt control practices, possibly reflecting a different evolutionary origin, or reproductive isolation of the pathogen in olive, distinct from populations of other hosts.

Représentation et recherche de motifs cycliques et structuraux d’ARN connus dans les structures secondaires

L'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN) sont des polymères de nucléotides essentiels à la cellule. À l'inverse de l'ADN qui sert principalement à stocker l'information génétique, les ARN sont impliqués dans plusieurs processus métaboliques. Par exemple, ils transmettent l’information génétique codée dans l’ADN. Ils sont essentiels pour la maturation des autres ARN, la régulation de l’expression génétique, la prévention de la dégradation des chromosomes et le ciblage des protéines dans la cellule. La polyvalence fonctionnelle de l'ARN résulte de sa plus grande diversité structurale. Notre laboratoire a développé MC-Fold, un algorithme pour prédire la structure des ARN qu'on représente avec des graphes d'interactions inter-nucléotidiques. Les sommets de ces graphes représentent les nucléotides et les arêtes leurs interactions. Notre laboratoire a aussi observé qu'un petit ensemble de cycles d'interactions à lui seul définit la structure de n'importe quel motif d'ARN. La formation de ces cycles dépend de la séquence de nucléotides et MC-Fold détermine les cycles les plus probables étant donnée cette séquence. Mon projet de maîtrise a été, dans un premier temps, de définir une base de données des motifs structuraux et fonctionnels d'ARN, bdMotifs, en terme de ces cycles. Par la suite, j’ai implanté un algorithme, MC-Motifs, qui recherche ces motifs dans des graphes d'interactions et, entre autres, ceux générés par MC-Fold. Finalement, j’ai validé mon algorithme sur des ARN dont la structure est connue, tels que les ARN ribosomaux (ARNr) 5S, 16S et 23S, et l'ARN utilisé pour prédire la structure des riborégulateurs. Le mémoire est divisé en cinq chapitres. Le premier chapitre présente la structure chimique, les fonctions cellulaires de l'ARN et le repliement structural du polymère. Dans le deuxième chapitre, je décris la base de données bdMotifs. Dans le troisième chapitre, l’algorithme de recherche MC-Motifs est introduit. Le quatrième chapitre présente les résultats de la validation et des prédictions. Finalement, le dernier chapitre porte sur la discussion des résultats suivis d’une conclusion sur le travail.

RNA recurrent motifs : identification and characterization

La détermination de la structure tertiaire du ribosome fut une étape importante dans la compréhension du mécanisme de la synthèse des protéines. Par contre, l’élucidation de la structure du ribosome comme tel ne permet pas une compréhension de sa fonction. Pour mieux comprendre la nature des relations entre la structure et la fonction du ribosome, sa structure doit être étudiée de manière systématique. Au cours des dernières années, nous avons entrepris une démarche systématique afin d’identifier et de caractériser de nouveaux motifs structuraux qui existent dans la structure du ribosome et d’autres molécules contenant de l’ARN. L’analyse de plusieurs exemples d’empaquetage de deux hélices d’ARN dans la structure du ribosome nous a permis d’identifier un nouveau motif structural, nommé « G-ribo ». Dans ce motif, l’interaction d’une guanosine dans une hélice avec le ribose d’un nucléotide d’une autre hélice donne naissance à un réseau d’interactions complexes entre les nucléotides voisins. Le motif G-ribo est retrouvé à 8 endroits dans la structure du ribosome. La structure du G-ribo possède certaines particularités qui lui permettent de favoriser la formation d’un certain type de pseudo-nœuds dans le ribosome. L’analyse systématique de la structure du ribosome et de la ARNase P a permis d’identifier un autre motif structural, nommé « DTJ » ou « Double-Twist Joint motif ». Ce motif est formé de trois courtes hélices qui s’empilent l’une sur l’autre. Dans la zone de contact entre chaque paire d’hélices, deux paires de bases consécutives sont surenroulées par rapport à deux paires de bases consécutives retrouvées dans l’ARN de forme A. Un nucléotide d’une paire de bases est toujours connecté directement à un nucléotide de la paire de bases surenroulée, tandis que les nucléotides opposés sont connectés par un ou plusieurs nucléotides non appariés. L’introduction d’un surenroulement entre deux paires de bases consécutives brise l’empilement entre les nucléotides et déstabilise l’hélice d’ARN. Dans le motif DTJ, les nucléotides non appariés qui lient les deux paires de bases surenroulées interagissent avec une des trois hélices qui forment le motif, offrant ainsi une stratégie élégante de stabilisation de l’arrangement. Pour déterminer les contraintes de séquences imposées sur la structure tertiaire d’un motif récurrent dans le ribosome, nous avons développé une nouvelle approche expérimentale. Nous avons introduit des librairies combinatoires de certains nucléotides retrouvés dans des motifs particuliers du ribosome. Suite à l’analyse des séquences alternatives sélectionnées in vivo pour différents représentants d’un motif, nous avons été en mesure d’identifier les contraintes responsables de l’intégrité d’un motif et celles responsables d’interactions avec les éléments qui forment le contexte structural du motif. Les résultats présentés dans cette thèse élargissent considérablement notre compréhension des principes de formation de la structure d’ARN et apportent une nouvelle façon d’identifier et de caractériser de nouveaux motifs structuraux d’ARN.

Structural rules for the formation of backbone-backbone interactions between closely packed RNA double helices

Les interactions entre les squelettes sucre-phosphate de nucléotides jouent un rôle important dans la stabilisation des structures tertiaires de larges molécules d’ARN. Elles sont régies par des règles particulières qui gouverne leur formation mais qui jusque là demeure quasiment inconnues. Un élément structural d’ARN pour lequel les interactions sucre-phosphate sont importantes est le motif d’empaquetage de deux doubles hélices d’ARN le long du sillon mineur. Ce motif se trouve à divers endroits dans la structure du ribosome. Il consiste en deux doubles hélices interagissant de manière à ce que le squelette sucre-phosphate de l’une se niche dans le sillon mineur de l’autre et vice versa. La surface de contact entre les deux hélices est majoritairement formée par les riboses et implique au total douze nucléotides. La présente thèse a pour but d’analyser la structure interne de ce motif et sa dépendance de stabilité résultant de l’association optimale ou non des hélices, selon leurs séquences nucléotidiques. Il est démontré dans cette thèse qu’un positionnement approprié des riboses leur permet de former des contacts inter-hélices, par l’entremise d’un choix particulier de l’identité des pairs de bases impliquées. Pour différentes pairs de bases participant à ce contact inter-hélices, l’identité optimale peut être du type Watson-Crick, GC/CG, or certaines pairs de bases non Watson-Crick. Le choix adéquat de paires de bases fournit une interaction inter-hélice stable. Dans quelques cas du motif, l’identité de certaines paires de bases ne correspond pas à la structure la plus stable, ce qui pourrait refléter le fait que ces motifs devraient avoir une liberté de formation et de déformation lors du fonctionnement du ribosome.

Identification de caractéristiques communes et rares dans les ARN structurés dans la base de données Rfam

Les ARN non codants (ARNnc) sont des transcrits d'ARN qui ne sont pas traduits en protéines et qui pourtant ont des fonctions clés et variées dans la cellule telles que la régulation des gènes, la transcription et la traduction. Parmi les nombreuses catégories d'ARNnc qui ont été découvertes, on trouve des ARN bien connus tels que les ARN ribosomiques (ARNr), les ARN de transfert (ARNt), les snoARN et les microARN (miARN). Les fonctions des ARNnc sont étroitement liées à leurs structures d’où l’importance de développer des outils de prédiction de structure et des méthodes de recherche de nouveaux ARNnc. Les progrès technologiques ont mis à la disposition des chercheurs des informations abondantes sur les séquences d'ARN. Ces informations sont accessibles dans des bases de données telles que Rfam, qui fournit des alignements et des informations structurelles sur de nombreuses familles d'ARNnc. Dans ce travail, nous avons récupéré toutes les séquences des structures secondaires annotées dans Rfam, telles que les boucles en épingle à cheveux, les boucles internes, les renflements « bulge », etc. dans toutes les familles d'ARNnc. Une base de données locale, RNAstem, a été créée pour faciliter la manipulation et la compilation des données sur les motifs de structure secondaire. Nous avons analysé toutes les boucles terminales et internes ainsi que les « bulges » et nous avons calculé un score d’abondance qui nous a permis d’étudier la fréquence de ces motifs. Tout en minimisant le biais de la surreprésentation de certaines classes d’ARN telles que l’ARN ribosomal, l’analyse des scores a permis de caractériser les motifs rares pour chacune des catégories d’ARN en plus de confirmer des motifs communs comme les boucles de type GNRA ou UNCG. Nous avons identifié des motifs abondants qui n’ont pas été étudiés auparavant tels que la « tetraloop » UUUU. En analysant le contenu de ces motifs en nucléotides, nous avons remarqué que ces régions simples brins contiennent beaucoup plus de nucléotides A et U. Enfin, nous avons exploré la possibilité d’utiliser ces scores pour la conception d’un filtre qui permettrait d’accélérer la recherche de nouveaux ARN non-codants. Nous avons développé un système de scores, RNAscore, qui permet d’évaluer un ARN en se basant sur son contenu en motifs et nous avons testé son applicabilité avec différents types de contrôles.

Insights into the mechanism of progressive RNA degradation by the archaeal exosome

Initially identified in yeast, the exosome has emerged as a central component of the RNA maturation and degradation machinery both in Archaea and eukaryotes. Here we describe a series of high-resolution structures of the RNase PH ring from the Pyrococcus abyssi exosome, one of them containing three 10-mer RNA strands within the exosome catalytic chamber, and report additional nucleotide interactions involving positions N5 and N7. Residues from all three Rrp41-Rrp42 heterodimers interact with a single RNA molecule, providing evidence for the functional relevance of exosome ring-like assembly in RNA processivity. Furthermore, an ADP-bound structure showed a rearrangement of nucleotide interactions at site N1, suggesting a rationale for the elimination of nucleoside diphosphate after catalysis. In combination with RNA degradation assays performed with mutants of key amino acid residues, the structural data presented here provide support for a model of exosome-mediated RNA degradation that integrates the events involving catalytic cleavage, product elimination, and RNA translocation. Finally, comparisons between the archaeal and human exosome structures provide a possible explanation for the eukaryotic exosome inability to catalyze phosphate-dependent RNA degradation.

Structure, Dynamics, and RNA Interaction Analysis of the Human SBDS Protein

Shwachman-Bodian-Diamond syndrome is an autosomal recessive genetic syndrome with pleiotropic phenotypes, including pancreatic deficiencies, bone marrow dysfunctions with increased risk of myelodysplasia or leukemia, and skeletal abnormalities. This syndrome has been associated with mutations in the SBDS gene, which encodes a conserved protein showing orthologs in Archaea and eukaryotes. The Shwachman-Bodian-Diamond syndrome pleiotropic phenotypes may be an indication of different cell type requirements for a fully functional SBDS protein. RNA-binding activity has been predicted for archaeal and yeast SBDS orthologs, with the latter also being implicated in ribosome biogenesis. However, full-length SBDS orthologs function in a species-specific manner, indicating that the knowledge obtained from model systems may be of limited use in understanding major unresolved issues regarding SBDS function, namely, the effect of mutations in human SBDS on its biochemical function and the specificity of RNA interaction. We determined the solution structure and backbone dynamics of the human SBDS protein and describe its RNA binding site using NMR spectroscopy. Similarly to the crystal structures of Archaea, the overall structure of human SBDS comprises three well-folded domains. However, significant conformational exchange was observed in NMR dynamics experiments for the flexible linker between the N-terminal domain and the central domain, and these experiments also reflect the relative motions of the domains. RNA titrations monitored by heteronuclear correlation experiments and chemical shift mapping analysis identified a classic RNA binding site at the N-terminal FYSH (fungal, Yhr087wp, Shwachman) domain that concentrates most of the mutations described for the human SBDS. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Evolução do reparo por excisão de nucleotídeo

The phylogeny is one of the main activities of the modern taxonomists and a way to reconstruct the history of the life through comparative analysis of these sequences stored in their genomes aimed find any justification for the origin or evolution of them. Among the sequences with a high level of conservation are the genes of repair because it is important for the conservation and maintenance of genetic stability. Hence, variations in repair genes, as the genes of the nucleotide excision repair (NER), may indicate a possible gene transfer between species. This study aimed to examine the evolutionary history of the components of the NER. For this, sequences of UVRA, UVRB, UVRC and XPB were obtained from GenBank by Blast-p, considering 10-15 as cutoff to create a database. Phylogenetic studies were done using algorithms in PAUP programs, BAYES and PHYLIP package. Phylogenetic trees were build with protein sequences and with sequences of 16S ribosomal RNA for comparative analysis by the methods of parsimony, likelihood and Bayesian. The XPB tree shows that archaeal´s XPB helicases are similar to eukaryotic helicases. According to this data, we infer that the eukaryote nucleotide excision repair system had appeared in Archaea. At UVRA, UVRB and UVRC trees was found a monophyletic group formed by three species of epsilonproteobacterias class, three species of mollicutes class and archaeabacterias of Methanobacteria and Methanococci classes. This information is supported by a tree obtained with the proteins, UVRA, UVRB and UVRC concatenated. Thus, although there are arguments in the literature defending the horizontal transfer of the system uvrABC of bacteria to archaeabacterias, the analysis made in this study suggests that occurred a vertical transfer, from archaeabacteria, of both the NER genes: uvrABC and XPs. According the parsimony, this is the best way because of the occurrence of monophyletic groups, the time of divergence of classes and number of archaeabacterias species with uvrABC system

First identification of Sarcocystis tenella (Railliet, 1886) Moule, 1886 (Protozoa: Apicomplexa) by PCR in naturally infected sheep from Brazil

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

Evolutionary dynamics of rRNA gene clusters in cichlid fish

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