Loss of nuclear poly(A)-binding protein 1 (PABPN1) causes defects in myogenesis and mRNA biogenesis

The nuclear poly(A)-binding protein 1 (PABPN1) is a ubiquitously expressed protein that plays a critical role in polyadenylation. Short expansions of the polyalanine tract in the N-terminus of PABPN1 lead to oculopharyngeal muscular dystrophy (OPMD), which is an adult onset disease characterized by eyelid drooping, difficulty in swallowing and weakness in the proximal limb muscles. Although significant data from in vitro biochemical assays define the function of PABPN1 in control of poly(A) tail length, little is known about the role of PABPN1 in mammalian cells. To assess the function of PABPN1 in mammalian cells and specifically in cells affected in OPMD, we examined the effects of PABPN1 depletion using siRNA in primary mouse myoblasts from extraocular, pharyngeal and limb muscles. PABPN1 knockdown significantly decreased cell proliferation and myoblast differentiation during myogenesis in vitro. At the molecular level, PABPN1 depletion in myoblasts led to a shortening of mRNA poly(A) tails, demonstrating the cellular function of PABPN1 in polyadenylation control in a mammalian cell. In addition, PABPN1 depletion caused nuclear accumulation of poly(A) RNA, revealing that PABPN1 is required for proper poly(A) RNA export from the nucleus. Together, these experiments demonstrate that PABPN1 plays an essential role in myoblast proliferation and differentiation, suggesting that it is required for muscle regeneration and maintenance in vivo.

Facteurs de sévérité et rôle des protéines à domaine polyalanine dans la dystrophie musculaire oculopharyngée

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Biology and characterisation of polyalanine as an emerging pathological marker

Dix-huit maladies humaines graves ont jusqu'ici été associées avec des expansions de trinucléotides répétés (TNR) codant soit pour des polyalanines (codées par des codons GCN répétés) soit pour des polyglutamines (codées par des codons CAG répétés) dans des protéines spécifiques. Parmi eux, la dystrophie musculaire oculopharyngée (DMOP), l’Ataxie spinocérébelleuse de type 3 (SCA3) et la maladie de Huntington (MH) sont des troubles à transmission autosomale dominante et à apparition tardive, caractérisés par la présence d'inclusions intranucléaires (IIN). Nous avons déjà identifié la mutation responsable de la DMOP comme étant une petite expansion (2 à 7 répétitions supplémentaires) du codon GCG répété du gène PABPN1. En outre, nous-mêmes ainsi que d’autres chercheurs avons identifié la présence d’événements de décalage du cadre de lecture ribosomique de -1 au niveau des codons répétés CAG des gènes ATXN3 (SCA3) et HTT (MH), entraînant ainsi la traduction de codons répétés hybrides CAG/GCA et la production d'un peptide contenant des polyalanines. Or, les données observées dans la DMOP suggèrent que la toxicité induite par les polyalanines est très sensible à leur quantité et leur longueur. Pour valider notre hypothèse de décalage du cadre de lecture dans le gène ATXN3 dans des modèles animaux, nous avons essayé de reproduire nos constatations chez la drosophile et dans des neurones de mammifères. Nos résultats montrent que l'expression transgénique de codons répétés CAG élargis dans l’ADNc de ATXN3 conduit aux événements de décalage du cadre de lecture -1, et que ces événements sont néfastes. À l'inverse, l'expression transgénique de codons répétés CAA (codant pour les polyglutamines) élargis dans l’ADNc de ATXN3 ne conduit pas aux événements de décalage du cadre de lecture -1, et n’est pas toxique. Par ailleurs, l’ARNm des codons répétés CAG élargis dans ATXN3 ne contribue pas à la toxicité observée dans nos modèles. Ces observations indiquent que l’expansion de polyglutamines dans nos modèles drosophile et de neurones de mammifères pour SCA3 ne suffit pas au développement d'un phénotype. Par conséquent, nous proposons que le décalage du cadre de lecture ribosomique -1 contribue à la toxicité associée aux répétitions CAG dans le gène ATXN3. Pour étudier le décalage du cadre de lecture -1 dans les maladies à expansion de trinucléotides CAG en général, nous avons voulu créer un anticorps capable de détecter le produit présentant ce décalage. Nous rapportons ici la caractérisation d’un anticorps polyclonal qui reconnaît sélectivement les expansions pathologiques de polyalanines dans la protéine PABPN1 impliquée dans la DMOP. En outre, notre anticorps détecte également la présence de protéines contenant des alanines dans les inclusions intranucléaires (IIN) des échantillons de patients SCA3 et MD.

Molecular and phenotypic characterization of a mouse model of oculopharyngeal muscular dystrophy reveals severe muscular atrophy restricted to fast glycolytic fibres

Oculopharyngeal muscular dystrophy (OPMD) is an adult-onset disorder characterized by ptosis, dysphagia and proximal limb weakness. Autosomal-dominant OPMD is caused by a short (GCG)8–13 expansions within the first exon of the poly(A)-binding protein nuclear 1 gene (PABPN1), leading to an expanded polyalanine tract in the mutated protein. Expanded PABPN1 forms insoluble aggregates in the nuclei of skeletal muscle fibres. In order to gain insight into the different physiological processes affected in OPMD muscles, we have used a transgenic mouse model of OPMD (A17.1) and performed transcriptomic studies combined with a detailed phenotypic characterization of this model at three time points. The transcriptomic analysis revealed a massive gene deregulation in the A17.1 mice, among which we identified a significant deregulation of pathways associated with muscle atrophy. Using a mathematical model for progression, we have identified that one-third of the progressive genes were also associated with muscle atrophy. Functional and histological analysis of the skeletal muscle of this mouse model confirmed a severe and progressive muscular atrophy associated with a reduction in muscle strength. Moreover, muscle atrophy in the A17.1 mice was restricted to fast glycolytic fibres, containing a large number of intranuclear inclusions (INIs). The soleus muscle and, in particular, oxidative fibres were spared, even though they contained INIs albeit to a lesser degree. These results demonstrate a fibre-type specificity of muscle atrophy in this OPMD model. This study improves our understanding of the biological pathways modified in OPMD to identify potential biomarkers and new therapeutic targets.

Loss of nuclear poly(A)-binding protein 1 causes defects in myogenesis and mRNA biogenesis

The nuclear poly(A)-binding protein 1 (PABPN1) is a ubiquitously expressed protein that plays a critical role in polyadenylation. Short expansions of the polyalanine tract in the N-terminus of PABPN1 lead to oculopharyngeal muscular dystrophy (OPMD), which is an adult onset disease characterized by eyelid drooping, difficulty in swallowing and weakness in the proximal limb muscles. Although significant data from in vitro biochemical assays define the function of PABPN1 in control of poly(A) tail length, little is known about the role of PABPN1 in mammalian cells. To assess the function of PABPN1 in mammalian cells and specifically in cells affected in OPMD, we examined the effects of PABPN1 depletion using siRNA in primary mouse myoblasts from extraocular, pharyngeal and limb muscles. PABPN1 knockdown significantly decreased cell proliferation and myoblast differentiation during myogenesis in vitro. At the molecular level, PABPN1 depletion in myoblasts led to a shortening of mRNA poly(A) tails, demonstrating the cellular function of PABPN1 in polyadenylation control in a mammalian cell. In addition, PABPN1 depletion caused nuclear accumulation of poly(A) RNA, revealing that PABPN1 is required for proper poly(A) RNA export from the nucleus. Together, these experiments demonstrate that PABPN1 plays an essential role in myoblast proliferation and differentiation, suggesting that it is required for muscle regeneration and maintenance in vivo.

Les inclusions intranucléaires de la dystrophie musculaire oculopharyngée (DMOP) : relation entre composition, localisation et expression

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les inclusions intranucléaires de la dystrophie musculaire oculopharyngée (DMOP) : relation entre composition, localisation et expression

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Régulation du transcriptome codant et non-codant chez Schizosaccharomyces pombe: facteurs et mécanismes impliqués dans la maturation 3’ des ARNs et la terminaison de la transcription

La synthèse d’un ARNm eucaryotique dépend d’une suite d’étapes qui inclut notamment l’ajout d’une queue poly(A) à son extrémité 3’. Au noyau, la queue poly(A) des ARNms est liée par PABPN1 (poly(A)-binding protein nuclear 1). PABPN1 fut notamment caractérisée, d’après des études in vitro, pour stimuler la réaction de polyadénylation en plus de contrôler la taille ultime des queues poly(A). Cela dit, la ou les fonction(s) biologique(s) de PABPN1 est/sont cependant largement méconnue(s). Chez Schizosaccharomyces pombe (S. pombe), Pab2 est l’orthologue présumé de PABPN1. Or, mes travaux indiquent que Pab2 est fonctionnellement différente de PABPN1 à l’égard de son rôle sur le processus général de polyadénylation. Ainsi, in vivo, l’absence de Pab2 entraîne l’expression et l’accumulation d’un groupe limité d’ARNs hyperadénylés parmi lesquels se trouvent de nombreux petits ARNs nucléolaires non-codants (snoRNAs) lesquels constituent normalement un groupe abondant d’ARN poly(A)-. Mes résultats supportent ainsi un mécanisme par lequel des snoRNAs immatures poly(A)+, sont convertis en une forme mature poly(A)- par le biais de Pab2 et de l’activité 3’-->5’ exoribonucléase de l’exosome à ARN. Ces observations sont inusitées dans la mesure où elles associent une fonction pour une PABP dans la maturation d'ARNs non-codants, contrairement à la notion que les PABPs travaillent exclusivement au niveau des ARNms, en plus de procurer une nouvelle perspective face au mécanisme de recrutement de l'exosome à ARN à des substrats poly(A)+. La formation de l’extrémité 3’ d’un ARN est un processus étroitement lié à la terminaison de sa transcription. Pour les gènes codants, la terminaison transcriptionnelle est initiée par le clivage endonucléolytique du pré-ARNm. Ce clivage génère une extrémité d’ARN 5’ libre laquelle sera ciblée par une exoribonucléase 5'-->3’ afin de mener à bien l’éviction de l’ARNPII de la matrice d’ADN (terminaison transcriptionnelle de type torpedo). Au contraire, chez Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae), la majorité des gènes non-codants, incluant les snoRNAs, dépendent plutôt du complexe NNS (Nrd1/Nab3/Sen1) pour la terminaison de leur transcription. Cela dit, il est incertain si le complexe NNS est conservé chez d’autres espèces. À cet égard, mes travaux indiquent que S. pombe est dépourvu d’un mécanisme de terminaison de la transcription de type NNS. Seb1, l’orthologue présumé de Nrd1 chez S. pombe, s’associe plutôt à la machinerie de clivage et de polyadénylation et influence la sélection de site de polyadénylation à l’échelle du génome. Mes résultats supportent ainsi l’utilisation de la machinerie de maturation 3’ des ARNms comme principal vecteur de terminaison transcriptionnelle chez S. pombe et identifient Seb1 comme un facteur clé de ce processus. L’évènement transcriptionnel étant hautement complexe, des erreurs peuvent arriver de manière stochastique menant à l’accumulation d’ARNs aberrants potentiellement néfastes pour la cellule. Or, mes travaux ont mis en lumière un mécanisme de surveillance co-transcriptionnel des ARNs impliquant l’exosome à ARN et lié à la terminaison de la transcription. Pour ce faire, l’exosome à ARN promeut la terminaison transcriptionnelle via la dégradation d’une extrémité 3’ libre d’ARN devenue émergente suite au recul de l’ARNPII le long de la matrice d’ADN (phénomène de backtracking). Mes résultats supportent ainsi une terminaison de la transcription de type torpedo inversé (3'-->5’) réévaluant par la même occasion le concept voulant que la terminaison de la transcription s’effectue uniquement selon une orientation 5’-->3’. Somme toute, mes travaux de doctorat auront permis d’identifier et de caractériser plus en détail les facteurs et mécanismes impliqués dans la maturation 3’ et la terminaison de la transcription des gènes codants et non-codants chez l’organisme modèle S. pombe.