Caractérisation des complexes ribonucléoprotéiques de Staufen1 et Staufen2

Dans la cellule, chaque ARNm se doit d’être régulé finement au niveau transcriptionnel, bien entendu, mais également au niveau de sa traduction, de sa dégradation ainsi que de sa localisation intracellulaire, et ce, afin de permettre l’expression de chaque produit protéique au moment et à l’endroit précis où son action est requise. Lorsqu’un mécanisme physiologique est mis de l’avant dans la cellule, il arrive souvent que plusieurs ARNm se doivent d’être régulés simultanément. L’un des moyens permettant d’orchestrer un tel processus est de réguler l’action d’une protéine commune associée à chacun de ces ARNm, via un mécanisme post-traductionnel par exemple. Ainsi l’expression d’un groupe précis d’ARNm peut être régulée finement dans le temps et dans l’espace selon les facteurs protéiques auxquels il est associé. Dans l’optique d’étudier certains de ces complexes ribonucléoprotéiques (mRNP), nous nous sommes intéressés aux isoformes et paralogues de Staufen, une protéine à domaine de liaison à l’ARN double-brin (dsRBD) impliquée dans de nombreux aspects de la régulation post-transcriptionnelle, tels la dégradation, la traduction ou encore la localisation d’ARNm. Chez la drosophile, un seul gène Staufen est exprimé alors que chez les mammifères, il existe deux paralogues de la protéine, soit Stau1 et Stau2, tous deux possédant divers isoformes produits suite à l’épissage alternatif de leur gène. Stau1 et Stau2 sont identiques à 50%. Les deux isoformes de Stau2, Stau259 et Stau262 ne diffèrent qu’en leur extrémité N-terminale. En effet, alors que Stau259 arbore un dsRBD1 tronqué, celui de Stau262 est complet. Ces observations introduisent une problématique très intéressante à laquelle nous nous sommes attaqué : ces différentes protéines, quoique très semblables, font-elles partie de complexes ribonucléoprotéiques distincts ayant des fonctions propres à chacun ou, au contraire, vu cette similarité de séquence, travaillent-elles de concert au sein des mêmes complexes ribonucléoprotéiques? Afin d’adresser cette question, nous avons entrepris d’isoler, à partir de cellules HEK293T, les différents complexes de Stau1 et Stau2 par la technique d’immunoprécipitation. Nous avons isolé les ARNm associés à chaque protéine, les avons identifiés grâce aux micropuces d’ADN et avons confirmé nos résultats par RT-PCR. Malgré la présence d’une population commune d’ARNm associée à Stau1 et Stau2, la majorité des transcrits identifiés furent spécifiques à chaque orthologue. Cependant, nous avons remarqué que les diverses populations d’ARNm participaient aux mêmes mécanismes de régulation, ce qui suggère que ces deux protéines possèdent des rôles complémentaires dans la mise en œuvre de divers phénomènes cellulaires. Au contraire, les transcrits associés à Stau259 et Stau262 sont davantage similaires, indiquant que celles-ci auraient des fonctions plutôt semblables. Ces résultats sont très intéressants, car pour la première fois, nous avons identifié des populations d’ARNm associées aux isoformes Stau155, Stau259 et Stau262. De plus, nous les avons analysées en parallèle afin d’en faire ressortir les populations spécifiques à chacune de ces protéines. Ensuite, connaissant l’importance de Stau2 dans le transport dendritique d’ARNm, nous avons cherché à caractériser les complexes ribonucléoprotéiques neuronaux associés à celle-ci. Dans un premier temps et à l’aide de la technique d’immunoprécipitation, nous avons identifié une population d’ARNm neuronaux associés à Stau2. Plus de 1700 ARNm montraient une présence d’au moins huit fois supérieure dans le précipité obtenu avec l’anticorps anti-Stau2 par rapport à celui obtenu avec le sérum pré-immun. Ces ARNm codent pour des protéines impliquées dans des processus de modifications post-traductionnelles, de traduction, de transport intracellulaire et de métabolisme de l’ARN. De façon intéressante, cette population d’ARNm isolée du cerveau de rat est relativement différente de celle caractérisée des cellules humaines HEK293T. Ceci suggère que la spécificité d’association Stau2-ARNm peut diffèrer d’un tissu à un autre. Dans un deuxième temps, nous avons isolé les protéines présentes dans les complexes ribonucléoprotéiques obtenus de cerveaux de rat et les avons identifiées par analyse en spectrométrie de masse. De cette façon, nous avons identifié au sein des particules de Stau2 des protéines liant l’ARN (PABPC1, hnRNPH1, YB1, hsc70), des protéines du cytosquelette (α- et β-tubuline), de même que la protéine peu caractérisée RUFY3. En poussant davantage la caractérisation, nous avons établi que YB1 et PABPC1 étaient associées à Stau2 grâce à la présence de l’ARN, alors que la protéine hsc70, au contraire, interagissait directement avec celle-ci. Enfin, cette dernière association semble être modulable par l’action de l’ATP. Ce résultat offre de nombreuses possibilités quant à la régulation de la fonction de Stau2 et/ou de son mRNP. Entre autres, cette étude suggère un mécanisme de régulation de la traduction au sein de ces particules. Pour faire suite à la caractérisation des mRNP de Stau, nous avons voulu déterminer au niveau neurophysiologique l’importance de ceux-ci. Comme l’étude de Stau2 avait déjà été entreprise préalablement par un autre laboratoire, nous avons décidé de concentrer notre étude sur le rôle de Stau1. Ainsi, nous avons démontré que celle-ci était nécessaire à la mise en place d’une forme de plasticité synaptique à long terme, la forme tardive de potentialisation à long terme ou L-LTP, dépendante de la transcription et de l’activité des récepteurs NMDA. La transmission de base, de même que la faculté de ces épines à faire de la E-LTP, la forme précoce de potentialisation à long terme, et la dépression à long terme ou LTD sont conservées. Ceci indique que les épines conservent la capacité d’être modulées. Ainsi, l’inhibition de la L-LTP, suite à la sous-expression de Stau1, n’est pas simplement due à la perte d’éléments fonctionnels, mais réside plutôt dans l’incapacité de ceux-ci à induire les changements synaptiques spécifiquement nécessaires à la mise en place de la L-LTP. De plus, au niveau synaptique, la sous-expression de Stau1 réduit à la fois l’amplitude et la fréquence des mEPSC. Ces résultats concordent avec l’observation que la sous-expression de Stau1 augmente significativement la proportion d’épines allongées et filopodales, des épines formant des synapses dites silencieuses. Par le fait même, elle diminue le nombre d’épines fonctionnelles, de forme dite normale. Ainsi, nous avons été en mesure de démontrer que l’absence, au niveau neuronal, de la protéine Stau1 induisait un déficit probable dans la localisation et/ou la traduction d’ARNm responsable de la restructuration de l’épine et de facteurs nécessaires à la mise en place de la L-LTP. En conclusion, nous avons participé à lever le voile sur la composition et l’importance des complexes ribonucléoprotéiques de Stau1 et Stau2. Nous avons identifié des populations distinctes et communes d’ARNm associées aux différents isoformes de Stau, à partir des mRNP présents au sein des cellules HEK293. De plus, nous avons réussi à mettre à l’avant plan certaines composantes des mRNP neuronaux de Stau2, dont un partenaire protéique direct, hsc70, partenaire dont l’association est modulable par l’action de l’ATP, ainsi qu’une population neuronale de transcrits d’ARNm. Enfin, nous avons mis en lumière l’importance de Stau1 dans la morphologie des épines dendritiques ainsi que dans le phénomène de la plasticité synaptique.

The characterization of the Atxn2-CAG42-knock-in mouse as a model for Spinocerebellar Ataxia Type 2

Die Ursache der neurodegenerativen Erkrankung Spinozerebelläre Ataxie Typ 2 (SCA2) ist eine expandierte Polyglutamin-Domäne im humanen ATXN2-Gen von normalerweise 22 auf über 31 CAGs. Von der Degeneration sind vorwiegend die zerebellären Purkinje Neuronen betroffen, in denen zunehmend zytoplasmatische Aggregate sichtbar werden. Auch wenn die genaue Funktion von ATXN2 und die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen noch immer ungeklärt sind, werden ein toxischer Funktionsgewinn sowie der Verlust der normalen Proteinfunktion als mögliche Ursachen diskutiert.rnUm ein wirklichkeitsgetreues Tiermodell für die SCA2 zu haben, wurde eine knock-in Maus generiert, deren einzelnes CAG im Atxn2-Gen durch 42 CAGs ersetzt wurde. Dieses Mausmodell ist durch eine stabile Vererbung der Expansion charakterisiert. Weiterhin zeigt sie ein verringertes Körpergewicht sowie eine spät beginnende motorische Inkoordination, was dem Krankheitsbild von SCA2 entspricht. rnIm Weiteren konnte gezeigt werden, dass, obwohl die Atxn2 mRNA-Spiegel in Großhirn und Kleinhirn erhöht waren, die Menge an löslichem ATXN2 im Laufe der Zeit abnahm und dies mit einem Auftreten an unlöslichem ATXN2 korrelierte. Dieser im Kleinhirn progressive Prozess resultierte schließlich in zytoplasmatischen Aggregaten innerhalb der Purkinje Neuronen alter Mäuse. Der Verlust an löslichem ATXN2 könnte Effekte erklären, die auf einen partiellen Funktionsverlust von ATXN2 zurückzuführen sind, wobei die Aggregatbildung einen toxischen Funktionsgewinn wiederspiegeln könnte. Neben ATXN2 wurde auch sein Interaktor PABPC1 zunehmend unlöslich. Während dies im Großhirn eine Erhöhung der PABPC1 mRNA- und löslichen Proteinspiegel zur Folge hatte, konnte keine kompensatorische Veränderung seiner mRNA und zudem eine Verminderung an löslichem PABPC1 im Kleinhirn beobachtet werden. Auch PABPC1 wurde in Aggregate sequestriert. Diese Unterschiede zwischen Großhirn und Kleinhirn könnten zu der spezifischen Vulnerabilität des Kleinhirns beitragen.rnUm die Folgen auf mRNA-Prozessierung zu untersuchen, wurde ein Transkriptomprofil im mittleren sowie fortgeschrittenen Alter der Mäuse erstellt. Hierbei war eine erhöhte Expression von Fbxw8 im Kleinhirn alter Mäuse auffällig. Als Komponente eines Ubiquitin-E3-Ligase-Komplexes, hilft FBXW8 in der Degradierung von Zielproteinen und könnte somit die Toxizität des expandieren ATXN2 verringern. rnZur näheren Beschreibung der physiologischen Funktion von ATXN2, konnte in ATXN2-knock-out Mäusen gezeigt werden, dass das Fehlen von ATXN2 zu einer reduzierten globalen Proteinsyntheserate führte und somit eine Rolle als Translationsaktivator möglich erscheint. Kompensatorisch wurde eine erhöhte S6-Phosphorylierung gemessen.

Human TOB, an antiproliferative transcription factor, is a poly(A)-binding protein-dependent positive regulator of cytoplasmic mRNA deadenylation.

In mammalian cells, mRNA decay begins with deadenylation, which involves two consecutive phases mediated by the PAN2-PAN3 and the CCR4-CAF1 complexes, respectively. The regulation of the critical deadenylation step and its relationship with RNA-processing bodies (P-bodies), which are thought to be a site where poly(A)-shortened mRNAs get degraded, are poorly understood. Using the Tet-Off transcriptional pulsing approach to investigate mRNA decay in mouse NIH 3T3 fibroblasts, we found that TOB, an antiproliferative transcription factor, enhances mRNA deadenylation in vivo. Results from glutathione S-transferase pull-down and coimmunoprecipitation experiments indicate that TOB can simultaneously interact with the poly(A) nuclease complex CCR4-CAF1 and the cytoplasmic poly(A)-binding protein, PABPC1. Combining these findings with those from mutagenesis studies, we further identified the protein motifs on TOB and PABPC1 that are necessary for their interaction and found that interaction with PABPC1 is necessary for TOB's deadenylation-enhancing effect. Moreover, our immunofluorescence microscopy results revealed that TOB colocalizes with P-bodies, suggesting a role of TOB in linking deadenylation to the P-bodies. Our findings reveal a new mechanism by which the fate of mammalian mRNA is modulated at the deadenylation step by a protein that recruits poly(A) nuclease(s) to the 3' poly(A) tail-PABP complex.

Eukaryotic Initiation Factor 4G Suppresses Nonsense-Mediated mRNA Decay by Two Genetically Separable Mechanisms

Nonsense-mediated mRNA decay (NMD), which is best known for degrading mRNAs with premature termination codons (PTCs), is thought to be triggered by aberrant translation termination at stop codons located in an environment of the mRNP that is devoid of signals necessary for proper termination. In mammals, the cytoplasmic poly(A)-binding protein 1 (PABPC1) has been reported to promote correct termination and therewith antagonize NMD by interacting with the eukaryotic release factors 1 (eRF1) and 3 (eRF3). Using tethering assays in which proteins of interest are recruited as MS2 fusions to a NMD reporter transcript, we show that the three N-terminal RNA recognition motifs (RRMs) of PABPC1 are sufficient to antagonize NMD, while the eRF3-interacting C-terminal domain is dispensable. The RRM1-3 portion of PABPC1 interacts with eukaryotic initiation factor 4G (eIF4G) and tethering of eIF4G to the NMD reporter also suppresses NMD. We identified the interactions of the eIF4G N-terminus with PABPC1 and the eIF4G core domain with eIF3 as two genetically separable features that independently enable tethered eIF4G to inhibit NMD. Collectively, our results reveal a function of PABPC1, eIF4G and eIF3 in translation termination and NMD suppression, and they provide additional evidence for a tight coupling between translation termination and initiation.

Investigation of premature termination codon recognition in nonsense-mediated mRNA decay

Nonsense-mediated mRNA decay (NMD) is best known for its role in quality control of mRNAs, where it recognizes premature translation termination codons (PTCs) and rapidly degrades the corresponding mRNA. The basic mechanism of NMD appears to be conserved among eukaryotes: aberrant translation termination triggers NMD. According to the current working model, correct termination requires the interaction of the ribosome with the poly(A)-binding protein (PABPC1) mediated through the eukaryotic release factors 1 (eRF1) and 3 (eRF3). The model predicts that in the absence of this interaction, the NMD core factor UPF1 binds to eRF3 instead and initiates the events ultimately leading to mRNA degradation. However, the exact mechanism of how the decision between proper and aberrant (i.e. NMD-inducing) translation termination occurs is not yet well understood. We address this question using a tethering approach in which proteins of interest are bound to a reporter transcript into the vicinity of a PTC. Subsequently, the ability of the tethered proteins to inhibit NMD and thus stabilize the reporter transcript is assessed. Our results revealed that the C-terminal domain interacting with eRF3 seems not to be necessary for tethered PABPC1 to suppress NMD. In contrast, the N-terminal part of PABPC1, consisting of 4 RNA recognition motifs (RRMs) and interacting with eukaryotic initiation factor 4G (eIF4G), retains the ability to inhibit NMD. We find that eIF4G is able to inhibit NMD in a similar manner as PABPC1 when tethered to the reporter mRNA. This stabilization by eIF4G depends on two key interactions. One of these interactions is to PABPC1, the other is to eukaryotic initiation factor 3 (eIF3). These results confirm the importance of PABPC1 in inhibiting NMD but additionally reveal a role of translation initiation factors in the distinction between bona fide termination codons and PTCs.

Inhibition of nonsense-mediated mRNA decay by the cytoplasmic poly(A)-binding protein

The expression of a gene from transcription of the DNA into pre-messenger RNA (pre-mRNA) over translation of messenger RNA (mRNA) into protein is constantly monitored for errors. This quality control is necessary to guarantee successful gene expression. One quality control mechanism important to this thesis is called nonsense-mediated mRNA decay (NMD). NMD is a cellular process that eliminates mRNA transcripts harboring premature translation termination codons (PTCs). Furthermore, NMD is known to regulate certain transcripts with long 3′ UTRs. However, some mRNA transcripts are known to evade NMD. The mechanism of NMD activation has been subjected to many studies whereas NMD evasion or suppression still remains rather elusive. It has previously been shown that the cytoplasmic poly(A)-binding protein (PABPC1) is able to suppress NMD of certain transcripts. In this study I show that PABPC1 is able to suppress NMD of a long 3′ UTR-carrying reporter when tethered immediately downstream of the termination codon. I further am able to show the importance of the interaction between PABPC1 and eIF4G for NMD suppression, whereas the interaction between PABPC1 and eRF3a seems dispensable. These results indicate an involvement of efficient translation termination and potentially ribosome recycling in NMD suppression. I am able to show that if PABPC1 is too far removed from the terminating ribosome NMD is activated. After showing the importance of PABPC1 recruitment directly downstream of a terminating ribosome in NMD suppression, I am further able to demonstrate several different methods by which PABPC1 can be recruited. Fold-back of the poly(A)-tail mediated by two interacting proteins on opposite ends of a 3′ UTR manages to bring PABPC1 bound to the poly(A)-tail into close proximity of the terminating ribosome and therefore suppress NMD. Furthermore, small PAM2 peptides that are known to interact with the MLLE domain of PABPC1 are able to strongly suppress NMD initiated by either a long 3′ UTR or an EJC. I am also able to show the NMD antagonizing power of recruited PABPC1 for the known endogenous NMD target β-globin PTC39, which is responsible for the disease β-thalassemia. This shows the potential medical implications and application of suppressing NMD by recruiting PABPC1 into close proximity of a terminating ribosome.