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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.
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.
Die proximale spinale Muskelatrophie (SMA) stellt eine der häufigsten erblichen Ursachen für den Tod im Kindesalter dar. Die Patienten leiden unter symmetrischer, langsam progredienter Muskelschwäche und in schweren Fällen auch an sensiblen Ausfällen. Die neurodegenerative Erkrankung wird autosomal-rezessiv durch Deletion bzw. Mutationen des SMN1-Gens (survival motor neuron 1-Gens) auf Chromosom 5q13 vererbt. Das SMN-Protein wird ubiquitär exprimiert und findet sich in allen untersuchten Geweben in einem Multiproteinkomplex, dem sogenannten SMN-Komplex, der die Zusammenlagerung von spleißosomalen Komplexen koordiniert. Die Funktion solcher Komplexe ist für alle Zelltypen essentiell. Deshalb stellt sich die Frage, welcher Pathomechanismus für die Erkrankung SMA verantwortlich ist. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass die Überlebensraten der Smn–/–;SMN2-Motoneurone 14 Tage alter Mausembryonen gegenüber Smn+/+;SMN2-Motoneuronen (Kontrollen) nicht reduziert waren. Bei der morphologischen Untersuchung der Zellen zum gleichen Entwicklungszeitpunkt zeigten sich jedoch deutliche Unterschiede. Die Axonlängen der Smn-defizienten Motoneurone waren gegenüber Kontrollen signifikant verringert. Das Dendritenwachstum war nicht beeinträchtigt. Die Untersuchung der Wachstumskegel ergab bei den Smn–/–;SMN2 Motoneuronen eine signifikante Verminderung der Fläche gegenüber Kontrollen. Weiterhin zeigten sich Defekte im Zytoskelett. In den Motoneuronen von Kontrolltieren fand sich eine Anreicherung von beta-Aktin in perinukleären Kompartimenten sowie besonders stark in den Wachstumskegeln. Die beta-Aktin-Anreicherung nahm im Verlauf des Axons zu. In Smn–/–;SMN2-Motoneuronen war keine Anreicherung im distalen Axon oder in den Wachstumskegeln detektierbar. Eine gleichartige Verteilungsstörung fand sich für das SMN-Interaktionsprotein hnRNP R (heterogenous nuclear ribonucleoprotein R) und, wie andere Arbeiten zeigen konnten, auch für die beta-Aktin-mRNA, die spezifisch an hnRNP R bindet. In gleicher Weise wurden auch Veränderungen in den sensorischen Neuronen aus den Hinterwurzelganglien 14 Tage alter Mausembryonen untersucht. Bei Smn–/–;SMN2-Mäusen war die Neuritenlänge sensorischer Neurone im Vergleich zur Kontrolle gering, jedoch signifikant verkürzt und die Fläche der Wachstumskegel hochsignifikant verringert. Im Smn–/–;SMN2 Mausmodell für eine schwere Form der SMA fanden sich in den sensorischen Nervenzellen im Vergleich zu den Motoneuronen geringer ausgeprägte, jedoch gleichartige Veränderungen, was auf einen ähnlichen Pathomechanismus in beiden Zelltypen hinweist.
Die Spinale Muskelatrophie (SMA) ist eine häufige autosomal-rezessiv vererbte Erkrankung des motorischen Nervensystems bei Kindern. Ursache der Degeneration von spinalen Motoneuronen ist der homozygote Verlust des SMN- (survival of motoneuron) Gens und ein dadurch bedingter Mangel an SMN-Protein. Untersuchungen an Motoneuronen von Smn-defizienten Mäusen ergaben Störungen des axonalen Längenwachstums aufgrund einer Fehlverteilung des Zytoskelettproteins beta-Aktin und seiner mRNA in den Axonterminalen. Das Axonwachstum wird durch Aktin-Polymerisierung im Wachstumskegel gesteuert. beta-Aktin-mRNA findet sich auch in Axonen, und die lokale Proteinsynthese kann durch neuronale Aktivierung gesteigert werden. Das SMN-Protein ist am axonalen Transport von beta-Aktin beteiligt. In der vorliegenden Arbeit ergaben Western Blot-Analysen in neuralen Stammzellen (NSC) sowie spinalen Motoneuronen in vitro eine Steigerung der SMN-Proteinexpression durch 8-CPT-cAMP. Zur Untersuchung der Auswirkungen der erhöhten SMN-Proteinmenge auf die Pathologie der Motoneurone wurde ein in-vitro-Assay entwickelt, mit dessen Hilfe gezeigt werden konnte, dass eine Behandlung mit 100 µM 8-CPT-cAMP die axonalen Veränderungen isolierter embryonaler Smn-defizienter Motoneurone kompensieren kann. Motoneurone von 14 Tage alten Smn-defizienten und Kontroll-Mausembryonen wurden über sieben Tage hinweg auf einer Matrix aus Poly-Ornithin und Laminin-111 bzw. Laminin-121/221 kultiviert und mit 100µM cAMP und neurotrophen Faktoren behandelt. Nach Fixierung wurden die Zellen mit Antikörpern gegen Islet-1/2, tau und beta-Aktin gefärbt, mit Hilfe eines konfokalen Mikroskops fotografiert und digital vermessen. 8-CPT-cAMP erhöht den beta-Aktin-Gehalt in den axonalen Wachstumskegeln von Smn-defizienten Motoneuronen. Die Größe der Wachstumskegel nimmt durch die Behandlung um das 2-3fache zu und erreicht normale Werte. Auf Laminin-111 bleibt das Längenwachstum der Axone durch 100µM 8-CPT-cAMP unbeeinflusst, auf Laminin-121/221 wird das Längenwachstum normalisiert. Die beta-Aktin-Verteilung innerhalb der Axone und Wachstumskegel von Smn-defizienten Motoneuronen erscheint durch die cAMP-Behandlung nahezu normalisiert. Die Wiederherstellung der beta-Aktin-Verteilung in Wachstumskegeln durch cAMP kann große Auswirkungen auf die Funktionalität der Motoneurone haben. Die Ergebnisse sind möglicherweise ein erster Schritt auf dem Weg zu einer Therapie für die Spinale Muskelatrophie.
Die proximale spinale Muskelatrophie (SMA) ist eine autosomal rezessive Erb-krankheit, welche durch fortschreitende Muskelatrophie mit Betonung der pro-ximalen Extremitäten, sowie zunehmende motorische Lähmungen charakterisiert wird. Bedingt wird diese neurodegenerative Erkrankung durch Mutation bzw. Deletion des SMN1-Gens auf Chromosom 5q13. Dies führt zu reduzierten Mengen des ubiquitär exprimierten SMN-Proteins, da der Verlust des SMN1-Gens nicht durch das noch verbleibende SMN2-Gen kompensiert werden kann. Die SMN-Promotor-Region enthält ein CRE II bindendes Element, welches Effekte von zyklischem Adenosinmonophosphat (cAMP) vermittelt und so die SMN-Transkription in untersuchten Zellen stimuliert. Ausgehend von diesem Befund stellte sich die Frage, ob cAMP dem Mangel an volllängen SMN bei der SMA entgegen wirkt. Daher wurden für diese Dissertation neurosphärenbildende kortikale Vorläuferzellen und primär kultivierte Motoneuronen von Smn+/+; SMN2- und Smn–/–;SMN2-Mausembryonen untersucht, um zu klären, ob die cAMP-Behandlung der Zellen zu einer Hochregulierung des SMN2-Transkripts führt, und durch die resultierende Erhöhung des SMN-Proteingehalts morphologische und funktionelle Defekte kompensiert werden. Die Untersuchung zeigte eine signifikante Zunahme des SMN2-Transkriptgehalts in Anwesenheit von cAMP. Dadurch kam es zu einem Anstieg der SMN-Proteinmenge im Soma, Axon und Wachstumskegel von Smn–/–;SMN2-Motoneuronen. Die Verteilungs-störung des SMN-Interaktionspartners hnRNP R mit fehlender kontrolltypischer Anreicherung im distalen Axon und Wachstumskegel von Smn–/–;SMN2-Motoneuronen wurde ebenfalls durch cAMP kompensiert. Smn-defiziente Mo-toneurone zeigten im Vergleich zu Kontrollzellen kleinere Wachstumskegel sowie ein Defizit an β-Aktin im distalen Axon. Zudem fehlte in Smn–/–;SMN2-Motoneuronen die bei Kontrollen ausgeprägte Zusammenlagerung von N-Typ spezifischen Ca2+-Kanälen in der Präsynapse, die nach Kontakt mit der β2-Kette des endplattenspezifischen Laminin-221 spontan öffnen und so einen in-trazellulären Kalziumanstieg bewirken, wodurch es zu Erregbarkeitsstörungen und Axonelongationsdefekten bei Smn-defizienten Motoneuronen kommt. Die Behandlung der Smn-defizienten Motoneuronen mit cAMP führte zur Vergrößerung der Wachstumskegelfläche und zu einer im Verlauf des Axons zunehmenden Anfärbung mit β-Aktin. Außerdem kam es zu einer Erhöhung der Menge an Cav2.2-Kanalprotein in den Wachstumskegeln Smn-defizienter Motoneurone, was mit einer erhöhten Erregbarkeit korrelierte und zu einer Normalisierung der Axonlänge von Smn–/–;SMN2-Motoneuronen auf Laminin-221 führte. Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen die Vermutung zu, dass Smn-defiziente Motoneurone in vivo Defekte im präsynaptischen Bereich der Motorendplatte aufweisen. In Zukunft können mit dem beschriebenen in vitro Assay weitere Substanzen, welche die SMN2-Traskription stimulieren, auf ihr kompensatorisches Potential getestet werden.