572 Biochemie
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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.
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.
Durch die Spleißreaktion werden nicht-kodierende Sequenzelemente (Introns) aus eukaryotischen Vorläufer-mRNAs entfernt und die kodierenden Sequenzelemente (Exons) miteinander zu einem offenen Leserahmen verbunden. Dieser zentrale Prozessierungsschritt während der eukaryotischen Genexpression wird durch das Spleißosom katalysiert, das aus den vier kleinen nukleären Ribonucleoproteinpartikeln (snRNPs) U1, U2, U4/U6 und U5, sowie einer Vielzahl weiterer Proteinfaktoren gebildet wird. Alle snRNPs besitzen eine gemeinsame ringförmige Kernstruktur, die aus sieben gemeinsamen Sm-Proteinen (SmB/B‘-D1-D2-D3-E-F-G) besteht, die ein einzelsträngiges Sequenzmotiv auf der snRNAs binden. Während sich diese, als Sm-Core-Domäne bezeichnete Struktur in vitro spontan ausbilden kann, erfolgt die Zusammenlagerung in vivo in einem assistierten und hochregulierten Prozess. Dieser ist abhängig von insgesamt mindestens 12 trans-agierenden Faktoren, die in den PRMT5- und SMN-Komplexen organisiert sind. Der PRMT5-Komplex agiert in der frühen Phase der Zusammenlagerung, indem er die Sm-Proteine durch die Untereinheit pICln rekrutiert und die symmetrische Methylierung von Argininresten in den C terminalen Schwänzen von SmB/B‘, SmD1 und SmD3 katalysiert.
Als Resultat dieser frühen Phase befinden sich die Sm-Proteine SmD1-D2-E-F-G und SmB/B‘-D3 in zwei getrennten und durch pICln organisierten Komplexen. Während SmB/B‘-D3-pICln am PRMT5-Komplex gebunden bleibt, existiert der zweite Komplex als freies Intermediat mit einem Sedimentationskoeffizienten von 6S. Diese Intermediate können nicht mit RNA assoziieren, sodass für die Fortsetzung des Zusammenlagerungsprozesses die Interaktion der Sm-Proteine mit pICln aufgelöst werden muss. Dies geschieht in der späten Phase der Sm-Core-Zusammenlagerung, in der die Sm-Proteine vom SMN-Komplex (bestehend aus SMN, Gemin2-8 und unrip) übernommen werden und pICln dissoziiert wird. Dadurch werden die Sm-Proteine für ihre Interaktion mit der snRNA aktiviert und können auf die Sm-Bindestelle transferiert werden, wodurch die Formierung des Sm-Core abgeschlossen wird.
Im Rahmen dieser Arbeit konnten mit Hilfe einer Kombination röntgenkristallographischer und elektronenmikroskopischer Methoden zwei wichtige Intermediate dieses Zusammenlagerungs-prozesses strukturbiologisch charakterisiert werden. Bei diesen Intermediaten handelt es sich um den 6S-Komplex, sowie um ein Sm-Protein-Transferintermediat mit einem Sedimentations-koeffizienten von 8S. In diesem ist der 6S-Komplex an zwei zentrale Untereinheiten des SMN-Komplexes (SMN und Gemin2) gebunden, während pICln den Komplex noch nicht verlassen hat. Der 8S-Komplex stellt daher ein „gefangenes“ Intermediat zwischen der frühen und späten Phase der Zusammenlagerung dar.
Zunächst gelang es eine erste Kristallform des rekombinant hergestellten 8S-Komplexes zu erhalten, die jedoch keine Strukturlösung erlaubte. Durch eine kombinierte Optimierung der Kristallisationsbedingung und der verwendeten Proteine wurde eine weitere ähnliche Kristallform erhalten, mit der die Kristallstruktur des 8S-Komplexes gelöst werden konnte. Die Kristallisation des 6S-Komplexes gelang im Anschluss auf Basis der Hypothese, dass Kristalle beider Komplexe aufgrund der kompositionellen Verwandtschaft zwischen 6S und 8S auch Ähnlichkeiten in der Architektur ihrer Kristallgitter aufweisen könnten. Daher wurden innerhalb von pICln gezielt Aminosäuren substituiert, die sich innerhalb von Kristallkontakten der 8S-Kristalle befanden und konformationell eingeschränkt waren. Mit entsprechend rekonstituierten 6S-Präparationen konnten dann zwei Kristallformen erzeugt werden, die eine Strukturlösung des 6S-Komplexes ermöglichten.
Durch die Kristallstruktur des 6S-Komplexes konnte für pICln eine strukturelle Mimikry der Sm-Proteine identifiziert werden. Diese ermöglicht eine Bindung der Sm-Proteine und eine frühzeitige topologische Organisation des Sm-Pentamers D1-D2-F-E-G in einer geschlossenen hexameren Ringstruktur. Die Kristallstruktur des 8S-Komplexes zeigt, wie der SMN-Komplex über Gemin2 an das Sm-Pentamer bindet. In Kombination mit einer EM-Struktur des 8S-Komplexes gelang es weiterhin, einen plausiblen Mechanismus für die Elimination von pICln und die Aktivierung der Sm-Proteine für die snRNA-Bindung zu formulieren. Somit konnten diese Arbeiten zu einem besseren Verständnis der Funktionen von trans-agierenden Faktoren bei Zusammenlagerung von RNA-Protein-Komplexen in vivo beitragen.