Association of Nonribosomal Nucleolar Proteins in Ribonucleoprotein Complexes during Interphase and Mitosis

rRNA precursors are bound throughout their length by specific proteins, as the pre-rRNAs emerge from the transcription machinery. The association of pre-rRNA with proteins as ribonucleoprotein (RNP) complexes persists during maturation of 18S, 5.8S, and 28S rRNA, and through assembly of ribosomal subunits in the nucleolus. Preribosomal RNP complexes contain, in addition to ribosomal proteins, an unknown number of nonribosomal nucleolar proteins, as well as small nucleolar RNA-ribonucleoproteins (sno-RNPs). This report describes the use of a specific, rapid, and mild immunopurification approach to isolate and analyze human RNP complexes that contain nonribosomal nucleolar proteins, as well as ribosomal proteins and rRNA. Complexes immunopurified with antibodies to nucleolin—a major nucleolar RNA-binding protein—contain several distinct specific polypeptides that include, in addition to nucleolin, the previously identified nucleolar proteins B23 and fibrillarin, proteins with electrophoretic mobilities characteristic of ribosomal proteins including ribosomal protein S6, and a number of additional unidentified proteins. The physical association of these proteins with one another is mediated largely by RNA, in that the complexes dissociate upon digestion with RNase. Complexes isolated from M-phase cells are similar in protein composition to those isolated from interphase cell nuclear extracts. Therefore, the predominant proteins that associate with nucleolin in interphase remain in RNP complexes during mitosis, despite the cessation of rRNA synthesis and processing in M-phase. In addition, precursor rRNA, as well as processed 18S and 28S rRNA and candidate rRNA processing intermediates, is found associated with the immunopurified complexes. The characteristics of the rRNP complexes described here, therefore, indicate that they represent bona fide precursors of mature cytoplasmic ribosomal subunits.

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.

Modular construction for function of a ribonucleoprotein enzyme: the catalytic domain of Bacillus subtilis RNase P complexed with B.subtilis RNase P protein

The bacterial RNase P holoenzyme catalyzes the formation of the mature 5′-end of tRNAs and is composed of an RNA and a protein subunit. Among the two folding domains of the RNase P RNA, the catalytic domain (C-domain) contains the active site of this ribozyme. We investigated specific binding of the Bacillus subtilis C-domain with the B.subtilis RNase P protein and examined the catalytic activity of this C-domain–P protein complex. The C-domain forms a specific complex with the P protein with a binding constant of ∼0.1 µM. The C-domain–P protein complex and the holoenzyme are equally efficient in cleaving single-stranded RNA (∼0.9 min–1 at pH 7.8) and substrates with a hairpin–loop 3′ to the cleavage site (∼40 min–1). The holoenzyme reaction is much more efficient with a pre-tRNA substrate, binding at least 100-fold better and cleaving 10–500 times more efficiently. These results demonstrate that the RNase P holoenzyme is functionally constructed in three parts. The catalytic domain alone contains the active site, but has little specificity and affinity for most substrates. The specificity and affinity for the substrate is generated by either the specificity domain of RNase P RNA binding to a T stem–loop-like hairpin or RNase P protein binding to a single-stranded RNA. This modular construction may be exploited to obtain RNase P-based ribonucleoprotein complexes with altered substrate specificity.

Phosphorylated Ser/Arg-rich proteins: limiting factors in the assembly of 200S large nuclear ribonucleoprotein particles.

We have previously shown that specific nuclear pre-mRNA transcripts and their splicing products, as well as the general population of nuclear poly(A)+ RNA, are packaged in large nuclear ribonucleoprotein (InRNP) particles that sediment at the 200S region in sucrose gradients. The InRNP particles contain all uridine-rich small nuclear ribonucleoprotein complexes required for pre-mRNA splicing, as well as protein splicing factors. In this paper we show that all of the phosphorylated, mAb 104 detectable, Ser/Arg-rich essential splicing factors (SR proteins) in the nucleoplasm are integral components of the InRNP particles, whereas only part of the essential splicing factor U2AF65 (U2 snRNP auxiliary factor) and the polypyrimidine tract binding protein (PTB) are associated with these particles. This finding suggests a limiting role for SR proteins in the assembly of the InRNP particles. We further show that the structural integrity of InRNP particles is sensitive to variations in the phosphorylation levels of the SR proteins.

The RNA-binding protein HuR regulates DNA methylation through stabilization of DNMT3b mRNA

The molecular basis underlying the aberrant DNA-methylation patterns in human cancer is largely unknown. Altered DNA methyltransferase (DNMT) activity is believed to contribute, as DNMT expression levels increase during tumorigenesis. Here, we present evidence that the expression of DNMT3b is post-transcriptionally regulated by HuR, an RNA-binding protein that stabilizes and/or modulates the translation of target mRNAs. The presence of a putative HuR-recognition motif in the DNMT3b 3'UTR prompted studies to investigate if this transcript associated with HuR. The interaction between HuR and DNMT3b mRNA was studied by immunoprecipitation of endogenous HuR ribonucleoprotein complexes followed by RT-qPCR detection of DNMT3b mRNA, and by in vitro pulldown of biotinylated DNMT3b RNAs followed by western blotting detection of HuR. These studies revealed that binding of HuR stabilized the DNMT3b mRNA and increased DNMT3b expression. Unexpectedly, cisplatin treatment triggered the dissociation of the [HuR-DNMT3b mRNA] complex, in turn promoting DNMT3b mRNA decay, decreasing DNMT3b abundance, and lowering the methylation of repeated sequences and global DNA methylation. In summary, our data identify DNMT3b mRNA as a novel HuR target, present evidence that HuR affects DNMT3b expression levels post-transcriptionally, and reveal the functional consequences of the HuR-regulated DNMT3b upon DNA methylation patterns.

Mammalian pre-mRNA 3' end processing factor CF I m 68 functions in mRNA export

Export of mRNA from the nucleus is linked to proper processing and packaging into ribonucleoprotein complexes. Although several observations indicate a coupling between mRNA 3' end formation and export, it is not known how these two processes are mechanistically connected. Here, we show that a subunit of the mammalian pre-mRNA 3' end processing complex, CF I(m)68, stimulates mRNA export. CF I(m)68 shuttles between the nucleus and the cytoplasm in a transcription-dependent manner and interacts with the mRNA export receptor NXF1/TAP. Consistent with the idea that CF I(m)68 may act as a novel adaptor for NXF1/TAP, we show that CF I(m)68 promotes the export of a reporter mRNA as well as of endogenous mRNAs, whereas silencing by RNAi results in the accumulation of mRNAs in the nucleus. Moreover, CF I(m)68 associates with 80S ribosomes but not polysomes, suggesting that it is part of the mRNP that is remodeled in the cytoplasm during the initial stages of translation. These results reveal a novel function for the pre-mRNA 3' end processing factor CF I(m)68 in mRNA export.

The gene for histone RNA hairpin binding protein is located on human chromosome 4 and encodes a novel type of RNA binding protein.

The hairpin structure at the 3' end of animal histone mRNAs controls histone RNA 3' processing, nucleocytoplasmic transport, translation and stability of histone mRNA. Functionally overlapping, if not identical, proteins binding to the histone RNA hairpin have been identified in nuclear and polysomal extracts. Our own results indicated that these hairpin binding proteins (HBPs) bind their target RNA as monomers and that the resulting ribonucleoprotein complexes are extremely stable. These features prompted us to select for HBP-encoding human cDNAs by RNA-mediated three-hybrid selection in Saccharomyces cerevesiae. Whole cell extract from one selected clone contained a Gal4 fusion protein that interacted with histone hairpin RNA in a sequence- and structure-specific manner similar to a fraction enriched for bovine HBP, indicating that the cDNA encoded HBP. DNA sequence analysis revealed that the coding sequence did not contain any known RNA binding motifs. The HBP gene is composed of eight exons covering 19.5 kb on the short arm of chromosome 4. Translation of the HBP open reading frame in vitro produced a 43 kDa protein with RNA binding specificity identical to murine or bovine HBP. In addition, recombinant HBP expressed in S. cerevisiae was functional in histone pre-mRNA processing, confirming that we have indeed identified the human HBP gene.

Intranuclear diffusion and hybridization state of oligonucleotides measured by fluorescence correlation spectroscopy in living cells

Fluorescein-labeled oligodeoxynucleotides (oligos) were introduced into cultured rat myoblasts, and their molecular movements inside the nucleus were studied by fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and fluorescence recovery after photobleaching (FRAP). FCS revealed that a large fraction of both intranuclear oligo(dT) (43%) and oligo(dA) (77%) moves rapidly with a diffusion coefficient of 4 × 10−7 cm2/s. Interestingly, this rate of intranuclear oligo movement is similar to their diffusion rates measured in aqueous solution. In addition, we detected a large fraction (45%) of the intranuclear oligo(dT), but not oligo(dA), diffusing at slower rates (≤1 × 10−7 cm2/s). The amount of this slower-moving oligo(dT) was greatly reduced if the oligo(dT) was prehybridized in solution with (unlabeled) oligo(dA) prior to introduction to cells, presumably because the oligo(dT) was then unavailable for subsequent hybridization to endogenous poly(A) RNA. The FCS-measured diffusion rate for much of the slower oligo(dT) population approximated the diffusion rate in aqueous solution of oligo(dT) hybridized to a large polyadenylated RNA (1.0 × 10−7 cm2/s). Moreover, this intranuclear movement rate falls within the range of calculated diffusion rates for an average-sized heterogeneous nuclear ribonucleoprotein particle in aqueous solution. A subfraction of oligo(dT) (15%) moved over 10-fold more slowly, suggesting it was bound to very large macromolecular complexes. Average diffusion coefficients obtained from FRAP experiments were in agreement with the FCS data. These results demonstrate that oligos can move about within the nucleus at rates comparable to those in aqueous solution and further suggest that this is true for large ribonucleoprotein complexes as well.

Protein component of the ribozyme ribonuclease P alters substrate recognition by directly contacting precursor tRNA

The protein component of ribonuclease P (RNase P) binds to the RNA subunit, forming a functional ribonucleoprotein complex in vivo and enhancing the affinity of the precursor tRNA (pre-tRNA) substrate. Photocrosslinking experiments with pre-tRNA bound to RNase P reconstituted with the protein component of Bacillus subtilis ribonuclease P (P protein) site specifically modified with a crosslinking reagent indicate that: (i) the central cleft of P protein directly interacts with the single-stranded 5′ leader sequence of pre-tRNA, and (ii) the orientation and register of the pre-tRNA leader sequence in the central cleft places the protein component in close proximity to the active site. This unique mode of interaction suggests that the catalytic active site in RNase P occurs near the interface of RNA and protein. In contrast to other ribonucleoprotein complexes where the protein mainly stabilizes the active tertiary fold of the RNA, a critical function of the protein component of RNase P is to alter substrate specificity and enhance catalytic efficiency.

Identification de protéines impliquées dans la localisation des ARNm au niveau de l'appareil mitotique

La localisation des ARNm au niveau des microtubules et des centrosomes laisse voir le centrosome et le fuseau mitotique comme des complexes ribonucléoprotéiques. Cependant, le mécanisme de localisation des ARNm à ces différentes structures ainsi que leurs fonctions dans la régulation de la mitose restent encore incompris. L’objectif était ici de caractériser des protéines de liaison à l’ARN (RNA Binding Proteins, RBPs) fonctionnellement impliquées dans la localisation des ARNm mitotiques chez la Drosophile et d’évaluer la conservation de la fonction de ces RBPs dans les cellules humaines. La déplétion de RBPs par RNAi générée dans des Drosophiles mutantes résulte en des phénotypes distincts de localisation anormale de l’ARNm centrosomique cen et en des défauts mitotiques différents selon le RBP ciblé, suggérant des fonctions différentes de ces RBPs. De plus, dans les jeunes embryons, les RBPs Bru-2 et Mask semblent être fonctionnellement importants pour la mitose via la régulation de l’ARNm cen, donnant un aperçu de la possible fonction mitotique de RBPs dans la régulation d’un ARN centrosomique. De plus, il a été observé dans un criblage d’immunofluorescence dans des cellules HeLa en métaphase que HNRNPUL1 colocalise au fuseau et aux centrosomes. HNRNPUL1 pourrait être impliqué dans la régulation de l’ARNm CDR2 (orthologue de cen) puisque la déplétion de l’orthologue de HNRNPUL1 dans la Drosophile, CG30122, résulte en une localisation anormale de l’ARNm centrosomique cen.

Identification de protéines impliquées dans la localisation des ARNm au niveau de l'appareil mitotique

La localisation des ARNm au niveau des microtubules et des centrosomes laisse voir le centrosome et le fuseau mitotique comme des complexes ribonucléoprotéiques. Cependant, le mécanisme de localisation des ARNm à ces différentes structures ainsi que leurs fonctions dans la régulation de la mitose restent encore incompris. L’objectif était ici de caractériser des protéines de liaison à l’ARN (RNA Binding Proteins, RBPs) fonctionnellement impliquées dans la localisation des ARNm mitotiques chez la Drosophile et d’évaluer la conservation de la fonction de ces RBPs dans les cellules humaines. La déplétion de RBPs par RNAi générée dans des Drosophiles mutantes résulte en des phénotypes distincts de localisation anormale de l’ARNm centrosomique cen et en des défauts mitotiques différents selon le RBP ciblé, suggérant des fonctions différentes de ces RBPs. De plus, dans les jeunes embryons, les RBPs Bru-2 et Mask semblent être fonctionnellement importants pour la mitose via la régulation de l’ARNm cen, donnant un aperçu de la possible fonction mitotique de RBPs dans la régulation d’un ARN centrosomique. De plus, il a été observé dans un criblage d’immunofluorescence dans des cellules HeLa en métaphase que HNRNPUL1 colocalise au fuseau et aux centrosomes. HNRNPUL1 pourrait être impliqué dans la régulation de l’ARNm CDR2 (orthologue de cen) puisque la déplétion de l’orthologue de HNRNPUL1 dans la Drosophile, CG30122, résulte en une localisation anormale de l’ARNm centrosomique cen.

The special Sm core structure of the U7 snRNP: far-reaching significance of a small nuclear ribonucleoprotein

The polypeptide composition of the U7 small nuclear ribonucleoprotein (snRNP) involved in histone messenger RNA (mRNA) 3' end formation has recently been elucidated. In contrast to spliceosomal snRNPs, which contain a ring-shaped assembly of seven so-called Sm proteins, in the U7 snRNP the Sm proteins D1 and D2 are replaced by U7-specific Sm-like proteins, Lsm10 and Lsm11. This polypeptide composition and the unusual structure of Lsm11, which plays a role in histone RNA processing, represent new themes in the biology of Sm/Lsm proteins. Moreover this structure has important consequences for snRNP assembly that is mediated by two complexes containing the PRMT5 methyltransferase and the SMN (survival of motor neurons) protein, respectively. Finally, the ability to alter this polypeptide composition by a small mutation in U7 snRNA forms the basis for using modified U7 snRNA derivatives to alter specific pre-mRNA splicing events, thereby opening up a new way for antisense gene therapy.

Biochemical demonstration of complex formation of histone pre-mRNA with U7 small nuclear ribonucleoprotein and hairpin binding factors.

Histone RNA 3' end formation occurs through a specific cleavage reaction that requires, among other things, base-pairing interactions between a conserved spacer element in the pre-mRNA and the minor U7 snRNA present as U7 snRNP. An oligonucleotide complementary to the first 16 nucleotides of U7 RNA can be used to characterize U7 snRNPs from nuclear extracts by native gel electrophoresis. Using similar native gel techniques, we present direct biochemical evidence for a stable association between histone pre-mRNA and U7 snRNPs. Other complexes formed in the nuclear extract are dependent on the 5' cap structure and on the conserved hairpin element of histone pre-mRNA, respectively. However, in contrast to the U7-specific complex, their formation is not required for processing. Comparison of several authentic and mutant histone pre-mRNAs with different spacer sequences demonstrates that the formation and stability of the U7-specific complex closely follows the predicted stability of the potential RNA-RNA hybrid. However, this does not exclude a stabilization of the complex by U7 snRNP structural proteins.

Autoimmune response to U1 small nuclear ribonucleoprotein (U1 snRNP) associated with cytomegalovirus infection

The induction of autoantibodies to U1 small nuclear ribonucleoprotein (U1 snRNP) complexes is not well understood. We present evidence that healthy individuals with cytomegalovirus (CMV) infection have an increased frequency and quantity of antibodies to ribonucleoprotein, directed primarily against the U1-70k protein. A significant association between the presence of antibodies to CMV and antibodies to the total RNP targeted by the immune response to the spliceosome (to both the Sm and RNP; Sm/RNP) was found for patients with systemic lupus erythematosus (SLE) but not those with mixed connective-tissue disease. CMV thus may play a role in inducing autoimmune responses in a subset of patients with systemic lupus erythematosus.