Modern tools to study nuclear pore complexes and nucleocytoplasmic transport in Caenorhabditis elegans.

The nematode Caenorhabditis elegans is characterized by many features that make it highly attractive to study nuclear pore complexes (NPCs) and nucleocytoplasmic transport. NPC composition and structure are highly conserved in nematodes and being amenable to a variety of genetic manipulations, key aspects of nuclear envelope dynamics can be observed in great details during breakdown, reassembly, and interphase. In this chapter, we provide an overview of some of the most relevant modern techniques that allow researchers unfamiliar with C. elegans to embark on studies of nucleoporins in an intact organism through its development from zygote to aging adult. We focus on methods relevant to generate loss-of-function phenotypes and their analysis by advanced microscopy. Extensive references to available reagents, such as mutants, transgenic strains, and antibodies are equally useful to scientists with or without prior C. elegans or nucleoporin experience.

Evidence for specific nucleocytoplasmic transport pathways used by leucine-rich nuclear export signals

Various proteins with different biological activities have been observed to be translocated from the nucleus to the cytoplasm in an energy- and signal-dependent manner in eukaryotic cells. This nuclear export is directed by nuclear export signals (NESs), typically characterized by hydrophobic, primarily leucine, amino acid residues. Moreover, it has been shown that CRM1/exportin 1 is an export receptor for leucine-rich NESs. However, additional NES-interacting proteins have been described. In particular, eukaryotic initiation factor 5A (eIF-5A) has been shown to be a critical cellular cofactor for the nuclear export of the HIV type 1 (HIV-1) Rev trans-activator protein. In this study we compared the nuclear export activity of NESs of different origin. Microinjection of export substrates into the nucleus of somatic cells in combination with specific inhibitors indicated that specific nuclear export pathways exist for different NES-containing proteins. In particular, inhibition of eIF-5A blocked the nuclear export of NESs derived from the HIV-1 Rev and human T cell leukemia virus type I Rex trans-activators, whereas nucleocytoplasmic translocation of the protein kinase inhibitor-NES was unaffected. In contrast, however, inhibition of CRM1/exportin 1 blocked the nuclear export of all NES-containing proteins investigated. Our data confirm that CRM1/exportin 1 is a general export receptor for leucine-rich NESs and suggest that eIF-5A acts either upstream of CRM1/exportin 1 or forms a complex with the NES and CRM1/exportin 1 in the nucleocytoplasmic translocation of the HIV-1 Rev and human T cell leukemia virus type I Rex RNA export factors.

Translation initiation of ornithine decarboxylase and nucleocytoplasmic transport of cyclin D1 mRNA are increased in cells overexpressing eukaryotic initiation factor 4E.

The structure of m7GpppN (where N is any nucleotide), termed cap, is present at the 5' end of all eukaryotic cellular mRNAs (except organellar). The eukaryotic initiation factor 4E (eIF-4E) binds to the cap and facilitates the formation of translation initiation complexes. eIF-4E is implicated in control of cell growth, as its overexpression causes malignant transformation of rodent cells and deregulates HeLa cell growth. It was suggested that overexpression of eIF-4E results in the enhanced translation of poorly translated mRNAs that encode growth-promoting proteins. Indeed, enhanced expression of several proteins, including cyclin D1 and ornithine decarboxylase (ODC), was documented in eIF-4E-overexpressing NTH 3T3 cells. However, the mechanism underlying this increase has not been elucidated. Here, we studied the mode by which eIF-4E increases the expression of cyclin D1 and ODC. We show that the increase in the amount of cyclin D1 and ODC is directly proportional to the degree of eIF-4E overexpression. Two mechanisms, which are not mutually exclusive, are responsible for the increase. In eIF-4E-overexpressing cells the rate of translation initiation of ODC mRNA was increased inasmuch as the mRNA sedimented with heavier polysomes. For cyclin D1 mRNA, translation initiation was not increased, but rather its amount in the cytoplasm increased, without a significant increase in total mRNA. Whereas, in the parental NIH 3T3 cell line, a large proportion of the cyclin D1 mRNA was confined to the nucleus, in eIF-4E-overexpressing cells the vast majority of the mRNA was present in the cytoplasm. These results indicate that eIF-4E affects directly or indirectly mRNA nucleocytoplasmic transport, in addition to its role in translation initiation.

Assembly and transport of a premessenger RNP particle

Salivary gland cells in the larvae of the dipteran Chironomus tentans offer unique possibilities to visualize the assembly and nucleocytoplasmic transport of a specific transcription product. Each nucleus harbors four giant polytene chromosomes, whose transcription sites are expanded, or puffed. On chromosome IV, there are two puffs of exceptional size, Balbiani ring (BR) 1 and BR 2. A BR gene is 35–40 kb, contains four short introns, and encodes a 1-MDa salivary polypeptide. The BR transcript is packed with proteins into a ribonucleoprotein (RNP) fibril that is folded into a compact ring-like structure. The completed RNP particle is released into the nucleoplasm and transported to the nuclear pore, where the RNP fibril is gradually unfolded and passes through the pore. On the cytoplasmic side, the exiting extended RNP fibril becomes engaged in protein synthesis and the ensuing polysome is anchored to the endoplasmic reticulum. Several of the BR particle proteins have been characterized, and their fate during the assembly and transport of the BR particle has been elucidated. The proteins studied are all added cotranscriptionally to the pre-mRNA molecule. The various proteins behave differently during RNA transport, and the flow pattern of each protein is related to the particular function of the protein. Because the cotranscriptional assembly of the pre-mRNP particle involves proteins functioning in the nucleus as well as proteins functioning in the cytoplasm, it is concluded that the fate of the mRNA molecule is determined to a considerable extent already at the gene level.

FRAP analysis of nucleocytoplasmic dynamics of the vitamin D receptor splice variant VDRB1: preferential targeting to nuclear speckles

Although the key components of the cellular nuclear transport machinery have largely been characterized through extensive efforts in recent years, in vivo measurements of the kinetics of nuclear protein import/export are patently few. The present study applies the approach of FRAP (fluorescence recovery after photobleaching) to examine the nucleocytoplasmic flux of a novel human VDRB1 (vitamin D receptor B I) isoform in living cells. Through an N-terminal extension containing a consensus nuclear targeting sequence, VDRB1 is capable of localizing in nuclear speckles adjacent to SC-35 (35 kDa splicing component)containing speckles as well as in the nucleoplasm, dependent on ligand. Investigation of VDRB1 nucleocytoplasmic transport using FRAP indicates for the first time that the VDRB1 has a serum-modulated, active nuclear-import mechanism. There is no evidence of an efficient, active export mechanism for VDRB1, probably as a result of nuclear retention. VDRB1 nuclear import in the absence of serum occurred more rapidly and to a greater extent to nuclear speckles compared with import to other nuclear sites. This preferential transport from the cytoplasm to and accumulation within nuclear speckles is consistent with the idea that the latter represent dynamic centres of VDRB1 interaction with other nuclear proteins. The results are consistent with the existence of specialized pathways to target proteins to nuclear subdomains.

Autoinhibition by an internal nuclear localization signal revealed by the crystal structure of mammalian importin alpha

Importin alpha is the nuclear import receptor that recognizes classical monopartite and bipartite nuclear localization signals (NLSs). The structure of mouse importin alpha has been determined at 2.5 Angstrom resolution. The structure shows a large C-terminal domain containing armadillo repeats, and a less structured N-terminal importin beta-binding domain containing an internal NLS bound to the NLS-binding site. The structure explains the regulatory switch between the cytoplasmic, high-affinity form, and the nuclear, low-affinity form for NLS binding of the nuclear import receptor predicted by the current models of nuclear import. Importin beta conceivably converts the low- to high-affinity form by binding to a site overlapping the autoinhibitory sequence. The structure also has implications for understanding NLS recognition, and the structures of armadillo and HEAT repeats.

RAE-1, a novel PHR binding protein, is required for axon termination and synapse formation in Caenorhabditis elegans.

Previous studies in Caenorhabditis elegans showed that RPM-1 (Regulator of Presynaptic Morphology-1) regulates axon termination and synapse formation. To understand the mechanism of how rpm-1 functions, we have used mass spectrometry to identify RPM-1 binding proteins, and have identified RAE-1 (RNA Export protein-1) as an evolutionarily conserved binding partner. We define a RAE-1 binding region in RPM-1, and show that this binding interaction is conserved and also occurs between Rae1 and the human ortholog of RPM-1 called Pam (protein associated with Myc). rae-1 loss of function causes similar axon and synapse defects, and synergizes genetically with two other RPM-1 binding proteins, GLO-4 and FSN-1. Further, we show that RAE-1 colocalizes with RPM-1 in neurons, and that rae-1 functions downstream of rpm-1. These studies establish a novel postmitotic function for rae-1 in neuronal development.

Patch-clamp detection of macromolecular translocation along nuclear pores

The present paper reviews the application of patch-clamp principles to the detection and measurement of macromolecular translocation along the nuclear pores. We demonstrate that the tight-seal 'gigaseal' between the pipette tip and the nuclear membrane is possible in the presence of fully operational nuclear pores. We show that the ability to form a gigaseal in nucleus-attached configurations does not mean that only the activity of channels from the outer membrane of the nuclear envelope can be detected. Instead, we show that, in the presence of fully operational nuclear pores, it is likely that the large-conductance ion channel activity recorded derives from the nuclear pores. We conclude the technical section with the suggestion that the best way to demonstrate that the nuclear pores are responsible for ion channel activity is by showing with fluorescence microscopy the nuclear translocation of ions and small molecules and the exclusion of the same from the cisterna enclosed by the two membranes of the envelope. Since transcription factors and mRNAs, two major groups of nuclear macromolecules, use nuclear pores to enter and exit the nucleus and play essential roles in the control of gene activity and expression, this review should be useful to cell and molecular biologists interested in understanding how patch-clamp can be used to quantitate the translocation of such macromolecules into and out of the nucleus

Caractérisation fonctionnelle de la GTPase Ran dans le cancer épithélial de l'ovaire

Le cancer épithélial de l’ovaire est le plus létal des cancers gynécologiques. Les tumeurs de l’ovaire se divisent en différentes classes reflétant l’étendue de la maladie. Les tumeurs à faible potentiel de malignité présentent une survie relative à 5 ans de 90%, alors que pour les tumeurs invasives, la survie à 5 ans chute drastiquement à 35-40%. Au laboratoire, nous avons précédemment identifié la protéine Ran, un membre de la superfamille des GTPases Ras, comme marqueur fortement exprimé dans les cancers épithéliaux de l’ovaire de haut grade et de haut stade dont la surexpression est associée à un mauvais pronostic. Ran est déjà connue pour contribuer au transport nucléocytoplasmique et à la progression du cycle cellulaire, mais son rôle dans le cancer ovarien n’est pas bien défini. En utilisant une approche de shRNA inductibles à la tétracycline basée sur les lentivirus, nous avons montré que la diminution de l’expression de Ran dans des lignées cellulaires agressives du cancer de l’ovaire affecte drastiquement la prolifération cellulaire par l’induction d’une apoptose caspase-3 dépendante. Par un essai de tumeurs en xénogreffes, nous avons démontré que la déplétion de Ran résulte en une diminution de la tumorigenèse et que la formation éventuelle de tumeurs est associée à une sélection des cellules tumorales ayant la capacité de ré-exprimer la protéine Ran. Ces résultats suggèrent un rôle critique pour Ran dans la survie et la tumorigénicité des cellules du cancer ovarien, indiquant que Ran pourrait être une cible thérapeutique intéressante.

Regulation of BAP1 tumor suppressor complex by post-translational modifications

Le régulateur transcriptionnel BAP1 est une déubiquitinase nucléaire (DUB) dont le substrat est l’histone H2A modifiée par monoubiquitination au niveau des residus lysines 118 et 119 (K118/K119). Depuis les dernières années, BAP1 emerge comme un gene suppresseur de tumeur majeur. En effet, BAP1 est inactivé dans un plethore de maladies humaines héréditaires et sporadiques. Cependant, malgré l’accumulation significative des connaissances concernant l’occurrence, la pénétrance et l’impact des défauts de BAP1 sur le développement de cancers, ses mécanismes d’action et de régulation restent très peu compris. Cette étude est dédiée à la caractérisation moléculaire et fonctionnelle du complexe multi-protéique de BAP1 et se présente parmi les premiers travaux décrivant sa régulation par des modifications post-traductionnelles. D’abord, nous avons défini la composition du corps du complexe BAP1 ainsi que ses principaux partenaires d’interaction. Ensuite, nous nous sommes spécifiquement intéressés a investiguer d’avantage deux principaux aspects de la régulation de BAP1. Nous avons d’abord décrit l’inter-régulation entre deux composantes majeures du complexe BAP1, soit HCF-1 et OGT. D’une manière très intéressante, nous avons trouvé que le cofacteur HCF-1 est un important régulateur des niveaux protéiques d’OGT. En retour, OGT est requise pour la maturation protéolytique de HCF-1 en promouvant sa protéolyse par O-GlcNAcylation, un processus de régulation très important pour le bon fonctionnement de HCF-1. D’autre part, nous avons découvert un mécanisme unique de régulation de BAP1 médiée par l’ubiquitine ligase atypique UBE2O. en effet, UBE2O se caractérise par le fait qu’il s’agit aussi bien d’une ubiquitine conjuratrice et d’une ubiquitine ligase. UBE2O, multi-monoubiquitine BAP1 au niveau de son domaine NLS et promeut son exclusion du noyau, le séquestrant ainsi dans le cytoplasme. De façon importante, nos travaux ont permis de mettre de l’emphase sur le rôle de l’activité auto-catalytique de chacune de ces enzymes, soit l’activité d’auto-déubiquitination de BAP1 qui est requise pour la maintenance de sa localisation nucléaire ainsi que l’activité d’auto-ubiquitination d’UBE2O impliquée dans son transport nucléo-cytoplasmique. De manière significative, nous avons trouvé que des défauts au niveau de l’auto-déubiquitination de BAP1 due à des mutations associées à certains cancers indiquent l’importance d’une propre regulation de cette déubiquitinase pour les processus associés à la suppression de tumeurs.

Étude de la fonction de la protéine RPAP4 et de son association avec l’ARN polymérase II

L’ARN polymérase II (ARNPII), l’enzyme responsable de la transcription des ARN messagers, procède au décodage du génome des organismes vivants. Cette fonction requiert l’action concertée de plusieurs protéines, les facteurs généraux de la transcription, par exemple, formant un réseau d’interactions protéine-protéine, plusieurs étant impliquées dans la régulation de l’ARNPII à différents niveaux. La régulation de la transcription a été largement étudiée durant les quatre dernières décennies. Néanmoins, nous en connaissons peu sur les mécanismes qui régulent l’ARNPII avant ou après la transcription. Dans la première partie de cette thèse, nous poursuivons la caractérisation du réseau d’interactions de l’ARNPII dans la fraction soluble de la cellule humaine, travail qui a débuté précédemment dans notre laboratoire. Ce réseau, développé à partir de la méthode de la purification d’affinité en tandem couplée à la spectrométrie de masse (AP-MS) et à des méthodes d’analyses bioinformatiques, nous amène une foule d’informations concernant la régulation de l’ARNPII avant et après son interaction avec la chromatine. Nous y identifions des protéines qui pourraient participer à l’assemblage de l’ARNPII telles des chaperonnes et les protéines du complexe R2TP/prefoldin-like ainsi que des protéines impliquées dans le transport nucléocytoplasmique. Au centre de ce réseau se trouvent RPAP4, une GTPase qui semble se positionner à l’interface entre ces protéines régulatrices et l’ARNPII. Nous avons donc entamé l’étude la fonction de RPAP4, ce qui nous a menés à la conclusion que RPAP4 est essentielle à l’import nucléaire de l’ARNPII au noyau, où elle exerce sa fonction. Nous avons également montré que les motifs G et GPN sont essentiels à la fonction de RPAP4. Le traitement des cellules avec le bénomyl nous montre aussi que la fonction de RPAP4 et l’import nucléaire de l’ARNPII requièrent l’action des microtubules. La deuxième partie de la thèse s’intéresse à une autre protéine positionnée au centre du réseau, RPAP2. Cette dernière partage plusieurs interactions avec RPAP4. Elle est aussi essentielle à la localisation nucléaire de l’ARNPII et interagit directement avec celle-ci. RPAP4 et RPAP2 étant toutes deux des protéines cytoplasmiques qui font la navette entre le noyau et le cytoplasme, nous présentons des évidences que RPAP4 est impliquée dans l’export nucléaire de RPAP2 pour permettre à celle-ci d’être disponible dans le cytoplasme pour l’import de l’ARNPII dans le noyau. Dans la troisième partie de la thèse, nous étudions plus en profondeur les modifications post-traductionnelles de RPAP4, ce qui nous aide à mieux comprendre sa propre régulation et sa fonction auprès de l’ARNPII. RPAP4 est phosphorylée en mitose par la MAP kinase ERK5. Cette phosphorylation favorise l’interaction entre RPAP4 et RPAP2, ce qui empêche RPAP2 d’interagir avec l’ARNPII pendant la mitose, prévenant du même coup, son interaction avec la chromatine pendant cette phase du cycle cellulaire où la transcription est presque inexistante.

The nuclear pore complex and its transporters : from virus-host interactors to subverting the innate antiviral immunity

Les virus ont besoin d’interagir avec des facteurs cellulaires pour se répliquer et se propager dans les cellules d’hôtes. Une étude de l'interactome des protéines du virus d'hépatite C (VHC) par Germain et al. (2014) a permis d'élucider de nouvelles interactions virus-hôte. L'étude a également démontré que la majorité des facteurs de l'hôte n'avaient pas d'effet sur la réplication du virus. Ces travaux suggèrent que la majorité des protéines ont un rôle dans d'autres processus cellulaires tel que la réponse innée antivirale et ciblées pas le virus dans des mécanismes d'évasion immune. Pour tester cette hypothèse, 132 interactant virus-hôtes ont été sélectionnés et évalués par silençage génique dans un criblage d'ARNi sur la production interferon-beta (IFNB1). Nous avons ainsi observé que les réductions de l'expression de 53 interactants virus-hôte modulent la réponse antivirale innée. Une étude dans les termes de gène d'ontologie (GO) démontre un enrichissement de ces protéines au transport nucléocytoplasmique et au complexe du pore nucléaire. De plus, les gènes associés avec ces termes (CSE1L, KPNB1, RAN, TNPO1 et XPO1) ont été caractérisé comme des interactant de la protéine NS3/4A par Germain et al. (2014), et comme des régulateurs positives de la réponse innée antivirale. Comme le VHC se réplique dans le cytoplasme, nous proposons que ces interactions à des protéines associées avec le noyau confèrent un avantage de réplication et bénéficient au virus en interférant avec des processus cellulaire tel que la réponse innée. Cette réponse innée antivirale requiert la translocation nucléaire des facteurs transcriptionnelles IRF3 et NF-κB p65 pour la production des IFNs de type I. Un essai de microscopie a été développé afin d'évaluer l’effet du silençage de 60 gènes exprimant des protéines associés au complexe du pore nucléaire et au transport nucléocytoplasmique sur la translocation d’IRF3 et NF-κB p65 par un criblage ARNi lors d’une cinétique d'infection virale. En conclusion, l’étude démontre qu’il y a plusieurs protéines qui sont impliqués dans le transport de ces facteurs transcriptionnelles pendant une infection virale et peut affecter la production IFNB1 à différents niveaux de la réponse d'immunité antivirale. L'étude aussi suggère que l'effet de ces facteurs de transport sur la réponse innée est peut être un mécanisme d'évasion par des virus comme VHC.

Insights on eukaryotic translation initiation factor 5A (eIF5A) in the brain and aging

Long-term memory, a persistent form of synaptic plasticity, requires translation of a subset of mRNA present in neuronal dendrites during a short and critical period through a mechanism not yet fully elucidated. Western blotting analysis revealed a high content of eukaryotic translation initiation factor 5A (eIF5A) in the brain of neonatal rats, a period of intense neurogenesis rate, differentiation and synaptic establishment, when compared to adult rats. Immunohistochemistry analysis revealed that eIF5A is present in the whole brain of adult rats showing a variable content among the cells from different areas (e.g. cortex, hippocampus and cerebellum). A high content of eIF5A in the soma and dendrites of Purkinje cells, key neurons in the control of motor long-term memory in the cerebellum, was observed. Detection of high eIF5A content was revealed in dendritic varicosities of Purkinje cells. Evidence is presented herein that a reduction of eIF5A content is associated to brain aging. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Pkc1 acts through Zds1 and Gic1 to suppress growth and cell polarity defects of a yeast eIF5A mutant

eIF5A is a highly conserved putative eukaryotic translation initiation factor that has been implicated in translation initiation, nucleocytoplasmic transport, mRNA decay, and cell proliferation, but with no precise function assigned so far. We have previously shown that high-copy PKCI suppresses the phenotype of tif51A-1, a temperature-sensitive mutant of eIF5A in S. cerevisiae. Here, in an attempt to further understand how Pkc1 functionally interacts with eIF-5A, it was determined that PKCI suppression of tif51A-1 is independent of the cell integrity MAP kinase cascade. Furthermore, two new suppressor genes, ZDS1 and GIC1, were identified. We demonstrated that ZDS1 and ZDS2 are necessary for PKC1, but not for GIC1 suppression. Moreover, high-copy GIC1 also suppresses the growth defect of a PKCI mutant (stt1), suggesting the existence of a Pkc1-Zds1-Gic1 pathway. Consistent with the function of Gic1 in actin organization, the tif51A-1 strain shows an actin polarity defect that is partially recovered by overexpression of Pkc1 and Zds1 as well as Gic1. Additionally, PCL1 and BNI1, important regulators of yeast cell polarity, also suppress tif51A-1 temperature sensitiviiy Taken together, these data strongly Support the correlated involvement of Pkc1 and eIF5A in establishing actin polarity, which is essential for bud formation and G1/S transition in S. cerevisiae.

Biophysical Characterization of Interactions Involving Importin-α during Nuclear Import

Proteins containing the classical nuclear localization sequences (NLSs) are imported into the nucleus by the importin-α/β heterodimer. Importin-α contains the NLS binding site, whereas importin-β mediates the translocation through the nuclear pore. We characterized the interactions involving importin-α during nuclear import using a combination of biophysical techniques (biosensor, crystallography, sedimentation equilibrium, electrophoresis, and circular dichroism). Importin-α is shown to exist in a monomeric autoinhibited state (association with NLSs undetectable by biosensor). Association with importin-β (stoichiometry, 1:1; K D = 1.1 × 10 -8 M) increases the affinity for NLSs; the importin-α/β complex binds representative monopartite NLS (simian virus 40 large T-antigen) and bipartite NLS (nucleoplasmin) with affinities (K D = 3.5 × 10 -8 M and 4.8 × 10 -8 M, respectively) comparable with those of a truncated importin-α lacking the autoinhibitory domain (T-antigen NLS, K D = 1.7 × 10 -8 M; nucleoplasmin NLS, K D = 1.4 × 10 -8 M). The autoinhibitory domain (as a separate peptide) binds the truncated importin-α, and the crystal structure of the complex resembles the structure of full-length importin-α. Our results support the model of regulation of nuclear import mediated by the intrasteric autoregulatory sequence of importin-α and provide a quantitative description of the binding and regulatory steps during nuclear import.