TY - THES A1 - Ji, Changhe T1 - The role of 7SK noncoding RNA in development and function of motoneurons T1 - Die Rolle der nichtkodierenden RNA 7SK bei der Entwicklung und Funktion von Motoneuronen N2 - In mammals, a major fraction of the genome is transcribed as non-coding RNAs. An increasing amount of evidence has accumulated showing that non-coding RNAs play important roles both for normal cell function and in disease processes such as cancer or neurodegeneration. Interpreting the functions of non-coding RNAs and the molecular mechanisms through which they act is one of the most important challenges facing RNA biology today. In my Ph.D. thesis, I have been investigating the role of 7SK, one of the most abundant non-coding RNAs, in the development and function of motoneurons. 7SK is a highly structured 331 nt RNA transcribed by RNA polymerase III. It forms four stem-loop (SL) structures that serve as binding sites for different proteins. Larp7 binds to SL4 and protects the 3' end from exonucleolytic degradation. SL1 serves as a binding site for HEXIM1, which recruits the pTEFb complex composed of CDK9 and cyclin T1. pTEFb has a stimulatory role for transcription and is regulated through sequestration by 7SK. More recently, a number of heterogeneous nuclear ribonucleoproteins (hnRNPs) have been identified as 7SK interactors. One of these is hnRNP R, which has been shown to have a role in motoneuron development by regulating axon growth. Taken together, 7SK’s function involves interactions with RNA binding proteins, and different RNA binding proteins interact with different regions of 7SK, such that 7SK can be considered as a hub for recruitment and release of different proteins. The questions I have addressed during my Ph.D. are as follows: 1) which region of 7SK interacts with hnRNP R, a main interactor of 7SK? 2) What effects occur in motoneurons after the protein binding sites of 7SK are abolished? 3) Are there additional 7SK binding proteins that regulate the functions of the 7SK RNP? Using in vitro and in vivo experiments, I found that hnRNP R binds both the SL1 and SL3 region of 7SK, and also that pTEFb cannot be recruited after deleting the SL1 region but is able to bind to a 7SK mutant with deletion of SL3. In order to answer the question of how the 7SK mutations affect axon outgrowth and elongation in mouse primary motoneurons, we proceeded to conduct rescue experiments in motoneurons by using lentiviral vectors. The constructs were designed to express 7SK deletion mutants under the mouse U6 promoter and at the same time to drive expression of a 7SK shRNA from an H1 promoter for the depletion of endogenous 7SK. Using this system we found that 7SK mutants harboring deletions of either SL1 or SL3 could not rescue the axon growth defect of 7SK-depleted motoneurons suggesting that 7SK/hnRNP R complexes are integral for this process. In order to identify novel 7SK binding proteins and investigate their functions, I proceeded to conduct pull-down experiments by using a biotinylated RNA antisense oligonucleotide that targets the U17-C33 region of 7SK thereby purifying endogenous 7SK complexes. Following mass spectrometry of purified 7SK complexes, we identified a number of novel 7SK interactors. Among these is the Smn complex. Deficiency of the Smn complex causes the motoneuron disease spinal muscular atrophy (SMA) characterized by loss of lower motoneurons in the spinal cord. Smn has previously been shown to interact with hnRNP R. Accordingly, we found Smn as part of 7SK/hnRNP R complexes. These proteomics data suggest that 7SK potentially plays important roles in different signaling pathways in addition to transcription. N2 - Bei Säugetieren wird ein großer Teil des Genoms als nicht-kodierende RNAs transkribiert. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass nicht-kodierende RNAs eine wichtige Rolle sowohl für die normale Zellfunktion als auch bei Krankheitsprozessen wie Krebs oder Neurodegeneration spielen. Die Interpretation der Funktionen nicht-kodierender RNAs und der molekularen Mechanismen, über die sie wirken, ist eine der wichtigsten Herausforderungen, denen die RNA-Biologie heute gegenübersteht. In meiner Promotionsarbeit habe ich die Rolle von 7SK, einer der am häufigsten vorkommenden nicht-kodierenden RNAs, bei der Entwicklung und Funktion von Motoneuronen untersucht. 7SK ist eine RNA, die aus 331 Nukleotiden besteht und deren Struktur bekannt ist. Sie wird von der RNA-Polymerase III transkribiert. Sie bildet vier Stem-Loop (SL)-Strukturen, die als Bindungsstellen für verschiedene Proteine dienen. LARP7 bindet an SL4 und schützt das 3'-Ende vor exonukleolytischem Abbau. SL1 dient als Bindungsstelle für HEXIM1, das den P-TEFb-Komplex rekrutiert, der aus CDK9 und Cyclin T1 besteht. P-TEFb hat eine stimulierende Rolle für die Transkription und wird durch Sequestrierung durch 7SK reguliert. In jüngerer Zeit wurde eine Reihe von heterogenen nukleären Ribonukleoproteinen (hnRNPs) als 7SK-Interaktoren identifiziert. Eines davon ist hnRNP R, von dem gezeigt wurde, dass es eine Rolle bei der Entwicklung von Motoneuronen spielt, indem es das Axonwachstum reguliert. Durch die Interaktion mit P-TEFb und RNA-bindenden Proteinen kann 7SK als Drehscheibe für die Rekrutierung und Freisetzung verschiedener Proteine betrachtet werden. Die Fragen, mit denen ich mich während meiner Doktorarbeit beschäftigt habe, lauten wie folgt: 1) Welche Region von 7SK interagiert mit hnRNP R, einem Hauptinteraktor von 7SK? 2) Welche Effekte treten in Motoneuronen auf, wenn die Bindung von hnRNP R an 7SK inhibiert wird? 3) Gibt es zusätzliche 7SK-bindende Proteine, die die Funktionen des 7SK RNPs regulieren? Mit Hilfe von in vitro und in vivo Experimenten fand ich heraus, dass hnRNP R sowohl die SL1- als auch die SL3-Region von 7SK bindet, und dass P-TEFb nach der Deletion der SL1-Region nicht rekrutiert werden kann, aber in der Lage ist, an eine 7SK-Mutante mit Deletion von SL3 zu binden. Um die Frage zu beantworten, wie sich die 7SK-Mutationen auf Axonwachstum in primären Motoneuronen der Maus auswirken, führten wir Rettungsexperimente an Motoneuronen unter Verwendung lentiviraler Vektoren durch. Die Konstrukte wurden so konzipiert, dass sie 7SK-Deletionsmutanten durch den U6-Promotor der Maus exprimieren und gleichzeitig eine 7SK-shRNA von einem H1-Promotor für die Depletion von endogenem 7SK transkribieren. Mit diesem System fanden wir heraus, dass 7SK-Mutanten, die Deletionen von SL1 oder SL3 beherbergen, den Axon-Wachstumsdefekt von 7SK-depletierten Motoneuronen nicht retten konnten, was darauf hindeutet, dass 7SK/hnRNP R-Komplexe für diesen Prozess von Bedeutung sind. Um neue 7SK-Bindungsproteine zu identifizieren und ihre Funktionen zu untersuchen, führte ich Pulldown-Experimente durch, bei denen ich ein biotinyliertes RNA-Antisense-Oligonukleotid verwendete, das an die U17-C33-Region von 7SK bindet und dadurch Aufreinigung endogener 7SK-Komplexe erlaubt. Nach der Massenspektrometrie der gereinigten 7SK-Komplexe identifizierten wir eine Reihe neuer 7SK-Interaktoren. Einer davon ist der Smn-Komplex. Ein Mangel des Smn-Komplexes verursacht die Motoneuronerkrankung Spinale Muskelatrophie (SMA), die durch den Verlust der unteren Motoneuronen im Rückenmark gekennzeichnet ist. Es wurde bereits gezeigt, dass Smn mit hnRNP R interagiert. Dementsprechend fanden wir Smn als Teil des 7SK/hnRNP R-Komplexes. Diese Proteom-Daten deuten darauf hin, dass 7SK neben der Transkription möglicherweise auch in anderen Signalwegen wie der spliceosomalen snRNP Biogenese eine wichtige Rolle spielt. KW - Spliceosome KW - Interaction of 7SK with the Smn complex modulates snRNP production KW - 7SK KW - SMN KW - snRNP KW - Transcription KW - hnRNP Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-224638 ER - TY - THES A1 - Rathod, Reenaben Jagdishbhai T1 - Study of local protein synthesis in growth cones of embryonic mouse motor neurons T1 - Analyse der lokalen Proteinsynthese in Wachstumskegeln von embryonalen Maus Motoneuronen N2 - In cultured motoneurons of a mouse model for the motoneuron disease spinal muscular atrophy (SMA), reduced levels of the protein SMN (survival of motoneurons) cause defects in axonal growth. This correlates with reduced β-actin mRNA and protein in growth cones, indicating that anterograde transport and local translation of β-actin mRNA are crucial for motoneuron function. However, direct evidence that indeed local translation is a physiological phenomenon in growth cones of motoneurons was missing. Here, a lentiviral GFP-based reporter construct was established to monitor local protein synthesis of β-actin mRNA. Time-lapse imaging of fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) in living motoneurons revealed that β-actin is locally translated in the growth cones of embryonic motoneurons. Interestingly, local translation of the β-actin reporter construct was differentially regulated by different laminin isoforms, indicating that laminins provide extracellular cues for the regulation of local translation in growth cones. Notably, local translation of β-actin mRNA was deregulated when motoneurons of a mouse model for type I SMA (Smn-/-; SMN2) were analyzed. In situ hybridization revealed reduced levels of β-actin mRNA in the axons of Smn-/-; SMN2 motoneurons. The distribution of the β-actin mRNA was not modified by different laminin isoforms as revealed by in situ hybridization against the mRNA of the eGFP encoding element of the β-actin reporter. In case of the mRNA of α-actin and γ-actin isoforms, the endogenous mRNA did not localize to the axons and the localization pattern was not affected by the SMN levels expressed in the cell. Taken together our findings suggest that regulation of local translation of β-actin in growth cones of motoneurons critically depends on laminin signaling and the amount of SMN protein. Embryonic stem cell (ESC)-derived motoneurons are an excellent in vitro system to sort out biochemical and cellular pathways which are defective in neurodegenerative diseases like SMA. Here, a protocol for the differentiation and antibody-mediated enrichment of ESC-derived motoneurons is presented, which was optimized during the course of this study. Notably, this study contributes the production and purification of highly active recombinant sonic hedgehog (Shh), which was needed for the efficient differentiation of mouse ESCs to motoneurons. ESC-derived motoneurons will now offer high amounts of cellular material to allow the biochemical identification of disease-relevant molecular components involved in regulated local protein synthesis in axons and growth cones of motoneurons. N2 - In kultivierten Motoneuronen eines Maus-Models für die Motoneuronen-Erkrankung Spinale Muskelatrophie (SMA) verursachen verminderte Mengen des Proteins SMN (survival of motoneurons) Schäden im axonalen Wachstum. Dies korreliert mit einer verminderten Menge an β-Aktin kodierender mRNA und β-Aktin Protein. Dies impliziert, dass anterograder Transport und lokale Translation von β-Aktin mRNA für die Motoneuronfunktion notwendig ist. Bislang gab es jedoch keinen direkten Nachweiß funktioneller lokaler Translation in Wachstumskegeln von Motoneuronen. In dieser Arbeit wurde ein lentivirales GFP-basierendes Reporterkonstrukt etabliert, welches lokale Proteinsynthese von β-Aktin mRNA nachweißt. Zeitraffermikroskopie von GFP-vermittelter Fluoerszenzregeneration nach Fotobleichung (fluorescence recovery after photobleaching; FRAP) in lebenden Motoneuronen zeigte, dass β-Aktin in Wachstumskegeln embryonaler Motoneuronen lokal translatiert wird. Interessanterweise wurde die lokale Translation des β-Aktin Reporterkonstrukts differentiell durch verschiedene Laminin-Isoformen reguliert. Dies gibt einen Hinweis, dass Laminin als extrazelluläres Signalmolekül die Regulation der lokalen Translation in Wachstumskegeln reguliert. Die lokale Translation von β-Aktin mRNA war dereguliert wenn Motoneurone eines Mausmodels für die Typ I SMA (Smn-/-;SMN2) analysiert wurden. In situ Hybridisierung bestätigte eine Reduktion von β-Aktin mRNA in den Axonen von Smn-/-;SMN2 Motoneuronen. Die Verteilung der β-Aktin mRNA wurde von verschiedenen Laminin-Isoformen nicht beeinflusst, wie durch in situ Hybridisierung gegen eGFP kodierende Elemente des β-Aktin Reporters bestätigt werden konnte. Im Fall der mRNA für α-Aktin und γ-Aktin Isoformen wurde keine axonale Lokalisierung der endogenen mRNAs festgestellt und das Lokalisierungsmuster dieser mRNAs war durch reduzierte zelluläre SMN Mengen nicht beeinflusst. Zusammenfassend deuten diese Befunde darauf hin, dass die lokale Translation von β-Aktin in Wachstumskegeln von Motoneuronen von Laminin-Signalgebung und von der Menge an SMN Protein abhängt. Motoneurone aus embryonalen Stammzellen sind ein etabliertes in vitro System um biochemische und zelluläre Signalwege zu identifizieren, die in neurodegenerativen Erkrankungen wie SMA betroffen sind. Hier wird ein Protokoll zur Differenzierung und Antikörper-gestützten Anreicherung von Motoneuron aus embryonalen Stammzellen präsentiert, welches im Rahmen dieser Arbeit optimiert wurde. Im Besonderen wird die Herstellung und Reinigung von hochaktivem Sonic Hedgehog (Shh) vorgestellt, welches für die effiziente Differenzierung von embryonalen Stammzellen der Maus notwendig war. Motoneurone aus embryonalen Stammzellen werden in zukünftigen Studien nun große Mengen an zellulärem Material liefern, und somit auf biochemischer Ebene die Identifizierung von krankheitsrelevanten molekularen Komponenten ermöglichen, die in der Regulation der lokalen Proteinsynthese in Axonen und Wachstumskegeln von Motoneuronen involviert sind. KW - Motoneuron KW - Maus KW - Embryo KW - Proteinsynthese KW - lokale Proteinsynthese KW - embryonale Maus KW - SMN KW - local translation KW - SMN KW - motor neuron KW - beta actin Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-72045 ER - TY - JOUR A1 - Ghanawi, Hanaa A1 - Hennlein, Luisa A1 - Zare, Abdolhossein A1 - Bader, Jakob A1 - Salehi, Saeede A1 - Hornburg, Daniel A1 - Ji, Changhe A1 - Sivadasan, Rajeeve A1 - Drepper, Carsten A1 - Meissner, Felix A1 - Mann, Matthias A1 - Jablonka, Sibylle A1 - Briese, Michael A1 - Sendtner, Michael T1 - Loss of full-length hnRNP R isoform impairs DNA damage response in motoneurons by inhibiting Yb1 recruitment to chromatin JF - Nucleic Acids Research N2 - Neurons critically rely on the functions of RNA-binding proteins to maintain their polarity and resistance to neurotoxic stress. HnRNP R has a diverse range of post-transcriptional regulatory functions and is important for neuronal development by regulating axon growth. Hnrnpr pre-mRNA undergoes alternative splicing giving rise to a full-length protein and a shorter isoform lacking its N-terminal acidic domain. To investigate functions selectively associated with the full-length hnRNP R isoform, we generated a Hnrnpr knockout mouse (Hnrnpr\(^{tm1a/tm1a}\)) in which expression of full-length hnRNP R was abolished while production of the truncated hnRNP R isoform was retained. Motoneurons cultured from Hnrnpr\(^{tm1a/tm1a}\) mice did not show any axonal growth defects but exhibited enhanced accumulation of double-strand breaks and an impaired DNA damage response upon exposure to genotoxic agents. Proteomic analysis of the hnRNP R interactome revealed the multifunctional protein Yb1 as a top interactor. Yb1-depleted motoneurons were defective in DNA damage repair. We show that Yb1 is recruited to chromatin upon DNA damage where it interacts with gamma-H2AX, a mechanism that is dependent on full-length hnRNP R. Our findings thus suggest a novel role of hnRNP R in maintaining genomic integrity and highlight the function of its N-terminal acidic domain in this context. KW - nuclear ribonucleoprotein-R KW - determining gene-product KW - actin messenger RNA KW - comet assay KW - genome wide KW - spinal cord KW - YB-1 KW - SMN KW - interacts KW - enrichment Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-265687 VL - 49 IS - 21 ER - TY - THES A1 - Veepaschit, Jyotishman T1 - Identification and structural analysis of the Schizosaccharomyces pombe SMN complex T1 - Identifizierung und Strukturanalyse des Schizosaccharomyces pombe SMN-Komplex N2 - The biogenesis of spliceosomal UsnRNPs is a highly elaborate cellular process that occurs both in the nucleus and the cytoplasm. A major part of the process is the assembly of the Sm-core particle, which consists of a ring shaped heptameric unit of seven Sm proteins (SmD1•D2•F•E•G•D3•B) wrapped around a single stranded RNA motif (termed Sm-site) of spliceosomal UsnRNAs. This process occurs mainly in the cytoplasm by the sequential action of two biogenesis factors united in PRMT5- and SMN-complexes, respectively. The PRMT5-complex composed of the three proteins PRMT5, WD45 and pICln is responsible for the symmetric dimethylation of designated arginine residues in the C-terminal tails of some Sm proteins. The action of the PRMT5- complex results in the formation of assembly incompetent Sm-protein intermediates sequestered by the assembly chaperone pICln (SmD1•D2•F•E•G•pICln and pICln•D3•B). Due to the action of pICln, the Sm proteins in these complexes fail to interact with UsnRNAs to form the mature Sm-core. This kinetic trap is relieved by the action of the SMN-complex, which removes the pICln subunit and facilitates the binding of the Sm-core intermediates to the UsnRNA, thus forming the mature Sm-core particle. The human SMN complex consists of 9 subunits termed SMN, Gemin2-8 and Unrip. So far, there are no available atomic structures of the whole SMN-complex, but structures of isolated domains and subunits of the complex have been reported by several laboratories in the past years. The lack of structural information about the entire SMN complex most likely lies in the biophysical properties of the SMN complex, which possesses an oligomeric SMN core, and many unstructured and flexible regions. These were the biggest roadblocks for its structural elucidation using traditional methods such as X-ray crystallography, NMR or CryoEM. To circumvent these obstacles and to obtain structural insight into the SMN-complex, the Schizosaccharomyces pombe SMN complex was used as a model system in this work. In a collaboration with the laboratory of Dr. Remy Bordonne (IGMM, CNRS, France), we could show that the SpSMN complex is minimalistic in its composition, consisting only of SpSMN, SpGemin2, SpGemin8, SpGemin7 and SpGemin6. Using biochemical experiments, an interaction map of the SpSMN complex was established which was found to be highly similar to the reported map of the human SMN complex. The results of this study clearly show that SpSMN is the oligomeric core of the complex and provides the binding sites for the rest of the subunits. Through biochemical and X-ray scattering experiments, the properties of the SpSMN subunit such as oligomerization viii and intrinsic disorder, were shown to determine the overall biophysical characteristics of the whole complex. The structural basis of SpSMN oligomerization is presented in atomic detail which establishes a dimeric SpSMN as the fundamental unit of higher order SpSMN oligomers. In addition to oligomerization, the YG-box domain of SpSMN serves as the binding site for SpGemin8. The unstructured region of SpSMN imparts an unusual large hydrodynamic size, intrinsic disorder, and flexibility to the whole complex. Interestingly, these biophysical properties are partially mitigated by the presence of SpGemin8•SpGemin7•SpGemin6 subunits. These results classify the SpSMN complex as a multidomain entity connected with flexible linkers and characterize the SpSMN subunit to be the central oligomeric structural organizer of the whole complex. N2 - Die Biogenese von spliceosomalen UsnRNPs ist ein hochkomplexer zellulärer Prozess, der sowohl im Zellkern als auch im Zytoplasma stattfindet. Ein Hauptteil dieses Prozesses ist der Aufbau des Sm-Kernpartikels, der aus einem ringförmigen Heptamer aus sieben Sm-Proteinen (SmD1 · D2 · F · E · G · D3 · B) besteht, die um ein einzelsträngiges RNA-Motiv (das auch als Sm-Stelle bezeichnet wird) der spliceosomalen U snRNAs gewickelt ist. Dieser Prozess findet hauptsächlich im Zytoplasma durch die sequenzielle Wirkung von zwei Biogenesefaktoren statt, den PRMT5 und den SMN-Komplexen. Der PRMT5-Komplex besteht aus den drei Proteinen PRMT5, WD45 und pICln und ist für die symmetrische Dimethylierung bestimmter Argininreste in den C-terminalen Schwänzen einiger Sm-Proteine verantwortlich. Die Wirkung des PRMT5-Komplexes führt zur Bildung von inkompetenten Sm-Protein-Intermediaten, die durch das Assemblierungs-Chaperon pICln (SmD1 · D2 · F · E · G · pICln und pICln · D3 · B) sequestriert werden. Aufgrund der Wirkung von pICln interagieren die Sm-Proteine in diesen Komplexen nicht mit den U snRNAs, um den reifen Sm-Kern zu bilden. Diese kinetische Falle wird durch die Wirkung des SMN-Komplexes aufgelöst, der die pICln-Untereinheit entfernt und die Bindung der Sm-Core-Zwischenprodukte an die U snRNA erleichtert, wodurch der reife Sm-Core-Partikel gebildet wird. Der menschliche SMN-Komplex besteht aus 9 Untereinheiten, die als SMN, Gemin2-8 und Unrip bezeichnet werden. Bisher sind keine atomaren Strukturen des gesamten SMN-Komplexes verfügbar, aber Strukturen isolierter Domänen und Untereinheiten des Komplexes wurden in den letzten Jahren von mehreren Laboratorien beschrieben. Der Mangel an strukturellen Informationen über den gesamten SMN-Komplex liegt höchstwahrscheinlich in den biophysikalischen Eigenschaften des SMN-Komplexes, der einen oligomeren SMN-Kern und viele unstrukturierte und flexible Regionen besitzt. Dies waren die größten Hindernisse für die Strukturaufklärung mit traditionellen Methoden wie Röntgenkristallographie, NMR oder CryoEM. Um diese Hindernisse zu umgehen und strukturelle Einblicke in den SMN-Komplex zu erhalten, wurde in dieser Arbeit der SMN-Komplex von Schizosaccharomyces pombe als Modellsystem verwendet. In Zusammenarbeit mit dem Labor von Dr. Remy Bordonne (IGMM, CNRS, Frankreich) konnten wir zeigen, dass der SpSMN-Komplex in seiner Zusammensetzung minimalistisch ist und nur aus SpSMN, SpGemin2, SpGemin8, SpGemin7 und SpGemin6 besteht. Mit biochemischer Experimenten wurde eine x Interaktionskarte des SpSMN-Komplexes erstellt, die der bekannten Karte des menschlichen SMN-Komplexes sehr ähnlich war. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen deutlich, dass SpSMN der oligomere Kern des Komplexes ist und die Bindungsstellen für den Rest der Untereinheiten bereitstellt. Durch biochemische und Röntgenstreuungsexperimente wurde gezeigt, dass die Eigenschaften der SpSMNUntereinheit wie Oligomerisierung und intrinsische Störung die gesamten biophysikalischen Eigenschaften des gesamten Komplexes bestimmen. Die strukturelle Basis der SpSMN-Oligomerisierung wird atomar detailliert dargestellt, wodurch ein dimeres SpSMN als zentrale Grundeinheit der SpSMN-Oligomere höherer Ordnung festgelegt wird. Zusätzlich zur Oligomerisierung dient die YG-Box- Domäne von SpSMN als Bindungsstelle für SpGemin8. Die unstrukturierte Region von SpSMN verleiht dem gesamten Komplex eine ungewöhnlich große hydrodynamische Größe, intrinsische Unordnung und Flexibilität. Interessanterweise werden diese biophysikalischen Eigenschaften teilweise durch das Vorhandensein von SpGemin8 • SpGemin7 • SpGemin6-Untereinheiten gemindert. Diese Ergebnisse klassifizieren den SpSMN-Komplex als eine mit flexiblen Wechselwirkungen verbundene Multidomäneneinheit und charakterisieren die SpSMN-Untereinheit als den zentralen oligomeren Strukturorganisator des gesamten Komplexes. KW - Multiproteinkomplex KW - Survival Motor Neuron KW - Protein purification KW - X-ray crystallography KW - Small angle X-ray scattering KW - Biogenese KW - Schizosaccharomyces pombe KW - SMN Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-238365 ER - TY - JOUR A1 - Veepaschit, Jyotishman A1 - Viswanathan, Aravindan A1 - Bordonne, Remy A1 - Grimm, Clemens A1 - Fischer, Utz T1 - Identification and structural analysis of the Schizosaccharomyces pombe SMN complex JF - Nucleic Acids Research N2 - The macromolecular SMN complex facilitates the formation of Sm-class ribonucleoproteins involved in mRNA processing (UsnRNPs). While biochemical studies have revealed key activities of the SMN complex, its structural investigation is lagging behind. Here we report on the identification and structural determination of the SMN complex from the lower eukaryote Schizosaccharomyces pombe, consisting of SMN, Gemin2, 6, 7, 8 and Sm proteins. The core of the SMN complex is formed by several copies of SMN tethered through its C-terminal alpha-helices arranged with alternating polarity. This creates a central platform onto which Gemin8 binds and recruits Gemins 6 and 7. The N-terminal parts of the SMN molecules extrude via flexible linkers from the core and enable binding of Gemin2 and Sm proteins. Our data identify the SMN complex as a multivalent hub where Sm proteins are collected in its periphery to allow their joining with UsnRNA. KW - Schizosaccharomyces pombe KW - SMN Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259880 VL - 49 IS - 13 ER - TY - THES A1 - Meduri, Rajyalakshmi T1 - Elucidation of an intricate surveillance network for cellular U snRNP homeostasis T1 - Identifizierung eines komplexen Überwachungssystems für die Aufrechterhaltung der zellulären U snRNP-Homöostase N2 - Spliceosomal U-rich small ribonucleoprotein particles (U snRNPs) are the major building blocks of the nuclear pre-mRNA splicing machinery. The core composition of U snRNPs includes the name giving U snRNA and a set of seven common (Sm) proteins termed Sm B/B’, D1, D2, D3, E, F and G. These Sm proteins are arranged in the form of a toroidal ring on the single stranded conserved sequence element in the snRNA to form the Sm core domain. Even though U snRNPs assemble spontaneously in vitro, their assembly in vivo requires an amazingly large number of trans-acting assembly factors united in the Protein Arginine Methyltransferase 5 (PRMT5) and the Survival Motor Neuron (SMN) complexes. The cytoplasmic assembly pathway of U snRNPs can be divided into the early and the late phase. The early phase is dominated by the assembly chaperone, pICln, a subunit of the PRMT5 complex. This factor binds to Sm proteins and delivers them in a pICln-bound form to the PRMT5 complex. The early assembly phase then segregates into two lines. In one assembly line, a stable hexameric ring intermediate (6S complex) composed of pICln and the five Sm proteins D1, D2, F, E and G, is formed. This intermediate forms at the PRMT5 complex but dissociates from the latter upon completion of its assembly. Within the 6S complex, these Sm proteins are pre-organized into respective spatial positions adopted in the assembled U snRNP. The other assembly line forms a protein trimer composed of pICln, Sm B/B’ and D3, which unlike the 6S complex is not released from the PRMT5 complex. As a consequence of their association with pICln, Sm proteins are kinetically trapped and fail to proceed in the assembly pathway. The late phase of the U snRNP formation is dominated by the SMN complex, which resolves this kinetic trap by dissociating pICln from the pre-organized Sm proteins and, subsequently catalyzes the loading of the Sm proteins on the U snRNA. Even though basic principles of U snRNP assembly have been understood in some detail, the question arises as to why cells employ sophisticated assembly machinery for the assembly despite the reaction occurring spontaneously in vitro. A few studies have shown that the system works towards rendering specificity to the assembly reaction. However, Sm proteins in their free form expose hydrophobic surfaces to the cytosolic solvent. Hence, I reasoned that the assembly machinery of snRNPs might also prevent Sm protein aggregation. In this thesis, I describe the work that leads to the discovery of a multi-layered regulatory network for Sm proteins involving post-transcriptional and post-translational surveillance mechanisms. Here, I show that the reduced level of SMN (a key assembly factor of the late phase) leads to the initial tailback of Sm proteins over pICln followed by the transcriptional down regulation of Sm protein encoding mRNAs. In contrast, depletion of pICln, a key factor of the early phase, results in the retention of Sm proteins on the ribosomes followed by their degradation via autophagy. Furthermore, I show that exceeding levels of Sm proteins over pICln caused by overexpression results in aggregation and mis-localization of Sm proteins. Thus, my findings uncover a complex regulatory network that helps to maintain the cellular U snRNP homeostasis by either preventing or clearing the unassembled Sm protein aggregates when they are not faithfully incorporated into the U snRNPs. N2 - Eukaryontische mRNA Moleküle werden häufig als Vorläufer (prä-mRNAs) hergestellt, und durch diverse Prozessierungschritte zur reifen Form umgewandelt. Ein wichtiger Schritt ist hierbei die Spleißreaktion, welche das Herausschneiden von Introns und die Ligation der Exons zur reifen mRNA katalysiert. Dieser Prozess wird durch das sog. Spleißosom ermöglicht, einer makromolekularen Maschinerie, deren wichtigste Bausteine Uridin-reiche kleine Ribonukleoproteinpartikel (U snRNPs) sind. Die spleißosomalen U snRNPs bestehen aus kleinen nicht-codierenden RNAs (U snRNA) sowie spezifischen und allgemeinen Proteinen. Während die spezifischen Proteine definierte Funktionen im Spleißprozess vermitteln, haben die allgemeinen Proteine, auch Sm Proteine genannt, primär strukturelle Funktion und vermitteln wichtige Schritte der U snRNP Biogenese. Jedes U snRNP Partikel enthält sieben Sm-Proteine (Sm B/B’, D1, D2, D3, E, F, G), die sich ringförmig an einen einzelsträngigen Bereich der U snRNPs anlagern und so eine toroidale Sm Corestruktur ausbilden. Obwohl die Zusammenlagerung dieses Sm Cores in vitro spontan erfolgt, werden hierfür in vivo trans-agierende Assemblierungsfaktoren benötigt. Diese agieren im Kontext zweier miteinander kooperierender Einheiten, die als PRMT5- und SMN-Komplex bezeichnet werden. Die initiale Phase wird vom Assemblierungs-Chaperon pICln dominiert, welches eine Untereinheit des PRMT5-Komplexes darstellt. Dieser Faktor stabilisiert die Sm-Proteine in höhergeordneten oligomeren Einheiten, die als Bausteine für die spätere Zusammenlagerungsreaktion dienen. pICln-assoziierte Sm-Proteine sind jedoch kinetisch gefangen und können daher nicht spontan auf die snRNA geladen werden. Diese Funktion übernimmt der SMN-Komplex, indem er die pICln-Sm Proteinkomplexe bindet und gleichzeitig pICln dissoziiert. Der SMN-Komplex fügt dann im letzten Schritt die Sm Proteine und die snRNA zum Sm Core zusammen. Es stellte sich die prinzipielle Frage, weshalb Zellen für die U snRNP Biogenese eine komplexe Maschinerie ermöglichen, wenn dieselbe Reaktion in vitro auch spontan erfolgen kann. Eine Hypothese, die dieser Arbeit zu Grunde lag, war, dass das PRMT5/SMN System in vivo notwendig ist, um die unspezifische Aggregation der hydrophoben Sm Proteine zu vermeiden und deren spezifische Zusammenlagerung mit den snRNAs zu ermöglichen. In der vorliegenden Arbeit werden Experimente geschildert, die diese Hypothese bestätigen und ein vielschichtiges regulatorisches post-transkriptionelles und post-translationales Netzwerk für die Sm-Proteine aufdeckten. Es wird gezeigt, dass eine verringerte Menge an SMN, dem Schlüsselfaktor der späten Zusammenlagerungs-Phase, zu einem anfänglichen Rückstau der Sm-Proteine an pICln zur Folge hat. Dieser Rückstau führt in einer späteren Phase zur Herunterregulierung der mRNAs, die für die Sm-Proteine codieren. Im Gegensatz dazu resultiert das Fehlen von pICln darin, dass die Sm-Proteine nicht in den Zusammenlagerungsweg eintreten können und statt dessen durch Autophagie degradiert werden. Wird die Degradation der Sm Proteine unterdrückt, komm es zu deren Delokalisation in der Zelle und Aggregation in unphysiologischen Strukturen. Die Daten offenbaren ein komplexes Regulationsnetzwerk, das die zelluläre U snRNP-Homöostase aufrechterhält und Zellen vor potentiell toxischer Proteinaggregation bewahrt. KW - U snRNPs KW - SMN KW - pICln KW - homeostasis Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-143173 ER - TY - THES A1 - Neuenkirchen, Nils T1 - An in vitro system for the biogenesis of small nuclear ribonucleoprotein particles T1 - Die Biogenese kleiner nukleärer Ribonukleinprotein Partikel - ein in vitro System N2 - Most protein-encoding genes in Eukaryotes are separated into alternating coding and non-coding sequences (exons and introns). Following the transcription of the DNA into pre-messenger RNA (pre-mRNA) in the nucleus, a macromolecular complex termed spliceosome removes the introns and joins the exons to generate mature mRNA that is exported to the cytoplasm. There, it can be interpreted by ribosomes to generate proteins. The spliceosome consists of five small nuclear ribonucleic acids (snRNAs) and more than 150 proteins. Integral components of this complex are RNA-protein particles (RNPs) composed of one or two snRNAs, seven common (Sm) and a various number of snRNP-specific proteins. The Sm proteins form a ring-structure around a conserved site of the snRNA called Sm site. In vitro, Sm proteins (B/B', D1, D2, D3, E, F, G) and snRNA readily assemble to form snRNPs. In the context of the cell, however, two macromolecular trans-acting factors, the PRMT5 (protein arginine methyltransferases type 5) and the SMN (survival motor neuron) complex, are needed to enable this process. Initially, the Sm proteins in the form of heterooligomers D1/D2, D3/B and F/E/G are sequestered by the type II methyltransferase PRMT5. pICln, a component of the PRMT5 complex, readily interacts with Sm proteins to form two distinct complexes. Whereas the first one comprises pICln and D3/B the second one forms a ring consisting of pICln, D1/D2 and F/E/G (6S). It has been found that pICln prevents the premature interaction of snRNAs with the Sm proteins in these complexes and thus functions as an assembly chaperone imposing a kinetic trap upon the further assembly of snRNPs. PRMT5 catalyzes the symmetrical dimethylation of arginine residues in B/B', D1 and D3 increasing their affinity towards the SMN complex. Finally, the SMN complex interacts with the pICln-Sm protein complexes, expels pICln and mediates snRNP assembly in an ATP-dependent reaction. So far, only little is known about the action of PRMT5 in the early phase of snRNP assembly and especially how the 6S complex is formed. Studies of this have so far been hampered by the unavailability of soluble and biologically active PRMT5 enzyme. The composition of the SMN complex and possible functions of individual subunits have been elucidated or hypothesized in recent years. Still, the exact mechanism of the entire machinery forming snRNPs is poorly understood. In vivo, reduced production of functional SMN protein results in the neurodegenerative disease spinal muscular atrophy (SMA). How specific SMN mutations that have been found in SMA patients cause the disease remains elusive, yet, are likely to interfere with either SMN complex stability or snRNP assembly. The aim of this work was to establish an in vitro system to recapitulate the cytoplasmic assembly of snRNPs. This was enabled by the recombinant production of all PRMT5 and SMN complex components as well as Sm proteins in a combination of bacterial and insect cell expression systems. Co-expression of human PRMT5 and its direct interaction partner WD45 (WD-repeat domain 45) in Sf21 (Spodoptera frugiperda 21) insect cells resulted for the first time in soluble and biologically active enzyme. Recombinant PRMT5/WD45 formed complexes with Sm protein heterooligomers as well as pICln-Sm protein complexes but not with F/E/G alone. Also, the enzyme exhibited a type II methyltransferase activity catalyzing the mono- (MMA) and symmetrical dimethylation (sDMA) of Sm proteins B, D1 and D3. Two experimental setups were devised to quantitatively analyze the overall methylation of substrates as well as to identify the type and relative abundance of specific methylation types. Methylation of Sm proteins followed Michaelis-Menten kinetics. Complex reconstitutions and competition of the methylation reaction indicate that 6S is formed in a step-wise manner on the PRMT5 complex. The analysis of the methylation type could be applied to deduce a model of sequential MMA and sDMA formation. It was found that large Sm protein substrate concentrations favored monomethylation. Following a distributive mechanism this leads to the conclusion that PRMT5 most likely confers partial methylation of several different substrate proteins instead of processing a single substrate iteratively until it is completely dimethylated. Finally, the human SMN complex was reconstituted from recombinant sources and was shown to be active in snRNP formation. The introduction of a modified SMN protein carrying a mutation (E134K) present in spinal muscular atrophy (SMA) proved that mutated complexes can be generated in vitro and that these might be applied to elucidate the molecular etiology of this devastating disease. N2 - Der Großteil der Protein-kodierenden Gene in Eukaryoten ist in kodierende und nicht-kodierende Regionen unterteilt - sogenannte Exons und Introns. Damit aus einem Gen ein Protein hergestellt werden kann, muss zunächst die genomische DNA im Rahmen der Translation in prä-messenger RNA (prä-mRNA; Boten-RNA) übersetzt werden. Aus dieser prä-mRNA werden anschließend durch einen makromolekularen Komplex (Spleißosom) die Introns entfernt und die kodieren Exons zusammengefügt. Die daraus resultierende gereifte mRNA dient letztendlich den Ribosomen als Vorlage zur Herstellung von Proteinen. Das Spleißosom besteht aus fünf snRNAs (small nuclear ribonucleic acids) und über 150 weiteren Proteinen. Zentrale Komponenten dieses Komplexes sind RNA-Protein Partikel (RNPs), die aus einer bzw. zwei snRNAs, sieben gemeinsamen (Sm) und weiteren snRNP-spezifischen Proteinen bestehen. Die Sm Proteine (B/B', D1, D2, D3, E, F and G) bilden eine Ringstruktur um eine konservierte Sequenz (Sm-site) der snRNA aus. In vitro erfolgt die Ausbildung dieser Struktur spontan. Im zellulären Kontext wird die Zusammenlagerung dieser snRNPs allerdings erst durch zwei makromolekulare, trans-agierende Proteinkomplexe, den PRMT5 und den SMN Komplex, ermöglicht. Zu Beginn interagieren die Sm Proteine als heterooligomere Strukturen bestehend aus D1/D2, D3/B und F/E/G mit der Typ II Methyltransferase PRMT5. pICln, eine Komponente des PRMT5 Komplexes, interagiert mit den Sm Proteinen und bildet zwei spezifische Komplexe aus. Während der erste aus pICln und D3/B besteht, lagern sich im zweiten die Sm proteine D1/D2 und F/E/G mit pICln zu einem Ring zusammen (6S Komplex). Diese Interaktion erzeugt eine kinetische Falle, so dass die Sm Proteine sich nicht mehr spontan an die snRNA anlagern können und somit die snRNP Biogenese verzögert wird. PRMT5 katalysiert die symmetrische Dimethylierung von Argininresten in B/B', D1 und D3, wodurch deren Affinität zum SMN Komplex erhöht wird. Letztendlich assoziert der SMN Komplex mit den zuvor erzeugten pICln-Sm Protein Komplexen, entlässt pICln und ermöglicht im weiteren die Zusammenlagerung von snRNPs in einer ATP-abhängigen Reaktion. Aktuell ist über die Funktion von PRMT5 in der frühen Phase der snRNP Biogenese wenig bekannt. Dies trifft insbesondere auf die Zusammenlagerung des 6S Komplexes zu. Biochemische Untersuchungen waren bis jetzt nahezu unmöglich, da rekombinant hergestelltes Protein entweder unlöslich oder biochemisch inaktiv war. In den vergangenen Jahren wurde viel über die Zusammensetzung des SMN Komplexes sowie über die Funktionen einzelner Untereinheiten herausgefunden aber auch spekuliert. Trotz alledem ist der genaue Mechanismus der snRNP Biogenese noch nahezu unbekannt. In vivo sind verringerte Mengen an funktionalem SMN Protein der Ausschlaggeber für die neurodegenerative Krankheit Spinale Muskelatrophie (SMA). Welchen Effekt Mutationen im SMN Protein haben, die in SMA Patienten festgestellt wurden ist ungewiss. Es ist allerdings zu vermuten, dass diese entweder die Integrität des SMN Komplexes negativ beeinflussen oder störend auf die snRNP Biogenese wirken. Das Ziel dieser Arbeit war es ein in vitro-System zu generieren, um die zytoplasmatische snRNP Biogenese biochemisch zu untersuchen. Dies geschah durch die rekombinante Produktion aller PRMT5 und SMN Komplex Komponenten sowie der Sm Proteine in einer Kombination von bakterieller und Insektenzell-Expression. Durch die Ko-Expression von humanem PRMT5 und dem Interaktionspartner WD45 (WD-repeat domain 45) in Sf21 (Spodoptera frugiperda 21) Insekten Zellen konnte erstmals lösliches und enzymatisch aktives Protein hergestellt werden. Rekombinantes PRMT5/WD45 bildete Komplexe mit heterooligomeren Sm Proteinen sowie pICln-Sm Protein Komplexen, allerdings nicht mit F/E/G. Zusätzlich konnte eine Typ II Methyltransferase Aktivität dadurch nachgewiesen werden, dass die Sm Protein B, D1 und D3 monomethyliert (MMA) und symmetrisch dimethyliert (sDMA) werden können. Zur weiteren Untersuchung wurden zwei experimentelle Ansätze erarbeitet, um die allgemeine Methylierungsaktivität sowie das relative Vorhandensein von Mono- und Dimethylargininen zu bestimmen. Es konnte gezeigt werden, dass die Methylierung der Sm Proteine einer Michael-Menten Kinetik folgt. Die Rekonstitution von PRMT-Sm Protein Komplexen sowie the Methylierungsreaktionen deuten auf eine schrittweise Zusammenlagerung von 6S auf dem PRMT5 Komplex hin. ... KW - Biogenese KW - Small nuclear RNP KW - Methylierung KW - SMN KW - PRMT5 KW - SMN KW - PRMT5 KW - snRNP KW - sDMA KW - arginine methylation Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-71300 ER -