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Cellular stress can induce DNA lesions that threaten the stability of genes. The DNA damage response (DDR) recognises and repairs broken DNA to maintain genome stability. Intriguingly, components of nuclear paraspeckles like the non-POU domain containing octamer-binding protein (NONO) participate in the repair of DNA double-strand breaks (DSBs). NONO is a multifunctional RNA-binding protein (RBP) that facilitates the retention and editing of messenger (m)RNA as well as pre-mRNA processing. However, the role of NONO in the DDR is poorly understood. Here, we establish a novel human U2OS cell line that expresses NONO fused to the engineered ascorbate peroxidase 2 (U2OS:NONO-APEX2-HA). We show that NONO-APEX2-HA accumulates in the nucleolus in response to DNA damage. Combining viability assays, subcellular localisation studies, coimmunoprecipitation experiments and in vivo proximity labeling, we demonstrate that NONO-APEX2-HA is a stably expressed fusion protein that mimics endogenous NONO in terms of expression, localisation and bona fide interactors. We propose that in vivo proximity labeling in U2OS:NONO-APEX2-HA cells is capable for the assessment of NONO interactomes by downstream assays. U2OS:NONO-APEX2-HA cells will likely be a valuable resource for the investigation of NONO interactome dynamics in response to DNA damage and other stimuli.
Commuting to work: Nucleolar long non-coding RNA control ribosome biogenesis from near and far
(2021)
Gene expression is an essential process for cellular growth, proliferation, and differentiation. The transcription of protein-coding genes and non-coding loci depends on RNA polymerases. Interestingly, numerous loci encode long non-coding (lnc)RNA transcripts that are transcribed by RNA polymerase II (RNAPII) and fine-tune the RNA metabolism. The nucleolus is a prime example of how different lncRNA species concomitantly regulate gene expression by facilitating the production and processing of ribosomal (r)RNA for ribosome biogenesis. Here, we summarise the current findings on how RNAPII influences nucleolar structure and function. We describe how RNAPII-dependent lncRNA can both promote nucleolar integrity and inhibit ribosomal (r)RNA synthesis by modulating the availability of rRNA synthesis factors in trans. Surprisingly, some lncRNA transcripts can directly originate from nucleolar loci and function in cis. The nucleolar intergenic spacer (IGS), for example, encodes nucleolar transcripts that counteract spurious rRNA synthesis in unperturbed cells. In response to DNA damage, RNAPII-dependent lncRNA originates directly at broken ribosomal (r)DNA loci and is processed into small ncRNA, possibly to modulate DNA repair. Thus, lncRNA-mediated regulation of nucleolar biology occurs by several modes of action and is more direct than anticipated, pointing to an intimate crosstalk of RNA metabolic events.
In der vorliegenden Arbeit wurden Fusionsprodukte aus verschiedenen nukleolären Proteinen mit fluoreszierenden Proteinen (GFP und dsRed: rot fluoreszierendes Protein) in lebenden Zellen von Säugern und Xenopus laevis exprimiert und lokalisiert. Dadurch standen "Marker" für die drei Hauptkomponenten des Nukleolus zur Verfügung. Die dynamischen Eigenschaften dieser Fusionsproteine wurden quantitativ mit Hilfe von "Photobleaching"-Experimenten analysiert (FRAP: fluorescence recovery after photobleaching). Im einzelnen wurde durch die Untersuchung von RNA-Polymerase I der rDNA Transkriptionsort im fibrillären Zentrum des Nukleolus bestätigt. Die kinetischen Analysen von zwei pol I-Untereinheiten (RPA194 und RPA53) durch FRAP in transkriptionell aktiven und inaktiven Nukleoli erlaubten direkte Rückschlüsse auf die Transkriptionsdauer der rRNA-Gene in vivo. Die individuellen pol I-Untereinheiten bewegen sich rasch zwischen Nukleoplasma und Nukleolus und interagieren in den fibrillären Zentren mit dem rDNA-Promoter. Dann werden sie in produktive Transkriptionskomplexe integriert, die während der Elongationsphase, die bei Raumtemperatur etwa fünf Minuten dauert, stabil bleiben und erst nach der Termination dissoziieren. Zumindest ein Teil der Untereinheiten wandert anschließend in das Nukleoplasma. Die Ergebnisse widersprechen Modellen, welche die dichte fibrilläre Komponente als Transkriptionsort ansehen oder immobile RNA Polymerase I-Moleküle postulieren. Die Identifizierung des fibrillären Zentrums als rDNA-Transkriptionsort wurde durch die Koexpression der pol I-Untereinheiten mit Fibrillarin, einem Leitprotein der dichten fibrillären Komponente, ermöglicht. Durch die Expression der beiden Proteine als unterschiedlich fluoreszierende Fusionsproteine konnten die Orte der Transkription (die fibrillären Zentren) und die Orte der ersten Prozessierungsschritte, an denen Fibrillarin beteiligt ist (die dichte fibrilläre Komponente), in lebenden Zellen als direkt benachbarte, aber räumlich getrennte Kompartimente identifiziert werden. Die Rolle der granulären Komponente als Ort späterer Prozessierungschritte und Integration ribosomaler Proteine wurde durch die Expression von B23 und der ribosomalen Proteine L4, L5 und L10 verdeutlicht. Dabei wurde die nukleoläre Lokalisation von L10 erstmals belegt. In der Literatur wurde bisher angenommen, L10 würde erst im Cytoplasma mit Ribosomen assoziieren. Dies ist nicht der Fall, wie insbesondere Experimente mit Leptomycin B gezeigt haben. Diese Droge hemmt den CRM1-abhängigen Kernexport und führte zu einer deutlichen Akkumulation von L10-haltigen Präribosomen im Nukleoplasma von menschlichen Zellen. Schließlich sollte ein neues nukleoläres Protein von Xenopus laevis molekular charakterisiert werden, das mit verschiedenen Antikörpern in der granulären Komponente des Nukleolus lokalisiert wurde. Durch massenspektrometrische Analysen nach zweidimensionaler Gelelektrophorese wurden die Antigene überraschenderweise als Cytokeratin-Homologe identifiziert. Im Verlauf dieser Arbeit wurden drei bisher unveröffentlichte Cytokeratin 19 Isoformen von Xenopus kloniert, sequenziert und als GFP-Fusionsproteine exprimiert. Diese wurden allerdings wie reguläre Cytokeratine in cytoplasmatische Intermediärfilamente integriert und konnten, auch nach Translokation in den Zellkern durch ein experimentell eingefügtes Lokalisationssignal, nicht im Nukleolus nachgewiesen werden. Nach der Kotransfektion mit verschiedenen Zellkern-Proteinen wurde Cytokeratin 19 mit diesen in den Zellkern und mit nukleolären Proteinen in den Nukleolus transportiert. Obwohl diese Versuche auf einen "Huckepack"-Transportmechanismus für ein normalerweise cytoplasmatisches Protein hinweisen, konnte Cytokeratin 19 nicht spezifisch in der granulären Komponente des Nukleolus lokalisiert werden. Daher konnte bisher, trotz intensiver Bemühungen, die Identität des in der Immunfluoreszenz nachgewiesenen nukleolären Proteins leider nicht aufgeklärt werden.
The distribution of DNA in Ehrlich tumour cell nucleoli was investigated by means of an immunocytochemical approach , involving a monoclonal antibody directed against double- and single-stranded DNA. Immunolabelling was performed . either before or after the embedding process. The postembedding labelling method allows better ultrastructural preservation than the preembedding labelling method. In particular, the various nucleolar components are well preserved and identifiable. In the nucleolus, labelling is particularly concentrated over the perinucleolar chromatin and over its intranucleolar invaginations, which penetrate the nucleolar body and often terminate at the fibrillar centres. In addition, aggregates of gold particles are found in the fibrillar centres, preferentially towards the peripheral regions. By contrast, the dense fibrillar component is completely devoid of labelling. The results seem to indicate that DNA containing the rDNA genes is located in the fibrillar centres, with a preference for the peripheral regions. This finding suggests that transcription of the rDNA genes should occur within the confines of the fibrillar centre, probably close to the boundary region of the surrounding dense fibrillar component. The results are discussed in the light of present knowledge of the functional organization of the nucleolus.
Rabbit antibodies to RNA polymerase I from a rat hepatoma have been used to localize the enzyme in a variety of cells at the light and electron microscopic level. In interphase cells the immunofluorescence pattern indicated that polymerase I is contained exclusively within the nucleolus. That this fluorescence, which appeared punctated rather than uniform, represented transcriptional complexes of RNA polymerase I and rRNA genes was suggested by the observation that it was enhanced in regenerating liver and in a hepatoma and was markedly diminished in cells treated with actinomycin D. Electron microscopic immunolocalization using gold-coupled second antibodies showed that transcribed rRNA genes are located in, and probably confined to, the fibrillar centers of the nucleolus. In contrast, the surrounding dense fibrillar component, previously thought to be the site of nascent prerRNA, did not contain detectable amounts of polymerase I. During mitosis, polymerase I molecules were detected by immunofluorescence microscopy at the chromosomal nucleolus organizer region, indicating that a considerable quantity of the enzyme remains bound to the rRNA genes. From this we conclude that rRNA genes loaded with polymerase I molecules are transmitted from one cell generation to the next one and that factors other than the polymerase itself are involved in the modulation of transcription of DNA containing rRNA genes during the cell cycle.