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In dieser Arbeit wurden die physiologische Funktion innerhalb der Ribosomenbiogenese und die physikalischen Interaktionen des nukleolären, essentiellen Proteins Nep1p in der Hefe Saccharomyces cerevisiae untersucht. Durch Hefe-Zwei-Hybrid-Experimente und biochemische Analysen konnte eine Homodimerisierung des Proteins festgestellt sowie eine strukturabgeleitete Dimerisierungsmutante identifiziert werden. Ebenfalls aus der Struktur des Nep1p-Homologs aus Methanocaldococcus jannaschii konnte eine Nop14p-Bindungsregion auf der der Dimerkontaktfläche abgewandten Seite des Hefeproteins vorhergesagt und nach in vitro-Mutagenese bestätigt werden. Innerhalb des Nop14-Proteins wurden zwei Domänen charakterisiert, die im Zwei-Hybrid-System mit Nep1p interagieren. Aus Strukturdaten in Kombination mit Hefe-Drei-Hybrid-Experimenten konnte die RNA-Bindungsregion an der Dimerkontaktfläche des Nep1-Proteins lokalisiert werden. In Drei-Hybrid-Selektionen wurden RNA-Sequenzen mit hoher Affinität zu dem M. jannaschii Nep1p identifiziert, die auf eine Bindung des Proteins bei Helix 35 der 16S rRNA schließen lassen. Aufgrund der hohen Konservierung dieser rRNA-Region ist eine Bindung des Hefeproteins an die 18S rRNA-Schleife von Nukleotid 1189-1196 sehr wahrscheinlich. Da Nep1p eine große Ähnlichkeit zu Proteinen der SPOUTFamilie von Methyltransferasen aufweist, war von einer rRNA-Methylierung im Verlauf der Ribosomenbiogenese als katalytische Funktion des Proteins auszugehen. Aus verschiedenen Drei-Hybrid-Experimenten zur RNA-Bindungungsspezifität ergab sich als mögliche Reaktion die N1-Methylierung des Nukleotids 1-Methyl-3-(3-Amino-3-Carboxypropyl)-Pseudouridin (m1acp3Y) 1191 der 18S rRNA. Durch eine spezifische radioaktive Markierung der acp-Gruppe konnte gezeigt werden, dass Nep1p keinen Einfluss auf die spätere Aminocarboxypropylmodifizierung hat. Diese findet auch bei einer Deletion der snoRNA35 statt, also auch an einem Uridin, und ist unabhängig von dem cytoplasmatischen Protein Tma20p. In RP-HPLC-Experimenten konnte nachgewiesen werden, dass die 18S rRNA einer Dnep1Dnop6-Doppelmutante ein Aminocarboxypropyl-modifiziertes Nukleosid enthält, dass sich in seinem Retensionsverhalten von dem m1acp3Y eines Wildtyps unterscheidet. Bei dem in diesem Stamm detektierten acp-modifizierten Nukleosid handelt es sich vermutlich um ein nicht-methyliertes acpY, was eine Funktion von Nep1p als N1-Methyltransferase des Nukleotids Y1191 der 18S rRNA höchst wahrscheinlich macht. Diese katalytische Funktion konnte in Zusammenarbeit mit Prof. Wöhnert auch für das M. jannaschii Nep1p gezeigt werden. Dass sowohl eine snr35- Deletion als auch eine 18S rRNA-Mutation des Nukleotids 1191 nicht letal sind, machte deutlich, dass die N1-Methylierung nicht die essentielle Funktion von Nep1p darstellen kann. Weiterhin konnte nachgewiesen werden, dass die Suppression der nep1-1ts-Mutante durch S-Adenosylmethionin nicht auf der Unterstützung der Methyltransferase-Aktivität des Proteins, sondern vermutlich eher auf einer generellen Stabilisierung des temperatursensitiven Proteins beruht. Sowohl im Hefe-Nep1p als auch im humanen Homolog wurden durch biochemische und genetische Experimente mehrere Phänotypen der Bowen-Conradi-Mutation (Aspartat 90 zu Glycin in ScNep1p) nachgewiesen. Diese lassen auf eine Aggregation des mutierten Proteins sowie eine dadurch bedingte Fehllokalisation innerhalb der Zelle schließen. Zusätzlich ist aber auch ein RNA-Bindungsdefekt durch den Aminosäureaustausch wahrscheinlich. Nichtsdestotrotz liegt offensichtlich ausreichend Nep1p-Protein vor, dass seine essentielle Funktion erfüllen kann, da die Mutation selbst zu keinem Wachstumsphänotyp führt. Erst bei einer partiellen Translationsrepression des mutierten Proteins unter Verwendung des artifiziellen Tetrazyklin-Aptamer-Systems ist ein verlangsamtes Wachstum von Hefezellen zu beobachten, was dieses System geeignet zur Analyse von möglichen Therapeutika macht.
Ribosome biogenesis is best understood in the yeast Saccharomyces cerevisiae. In human or mammalian ribosome biogenesis, it has been shown that basic principles are conserved to yeast, but additional features have been reported. Our understanding about the interplay between proteins and RNA in human ribosome biogenesis is far from complete.
The present study focused on the analysis of the human ribosome biogenesis co-factors PWP2, EMG1 and Exportin 5 (XPO5) to understand the degree of conservation of ribosome biogenesis. The proteins were characterized in respect to their localization and interaction partners. For the early 90S co-factor, PWP2, it was possible to pull down and identify the human UTP-B complex with MALDI mass spectrometry. Besides the orthologues of the members of this complex known in yeast (TBL3, WDR3, WDR36, UTP6, UTP18), the human UTP-B complex is not only conserved from yeast to humans, but contains also additional components, like the DEAD-box RNA helicase DDX21, which lacks a yeast orthologue. DDX21 was localized to the nucleus, assembled to the native UTP-B complex and co-precipitated also with other UTP-B complex members, presumably extending the functions of this complex in ribosome biogenesis.
This phenomenon was also observed for the 90S co-factor EMG1, an RNA methyltransferase, whose mutant form causes the Bowen-Conradi syndrome, if aspartic acid is mutated to glycine at position 86. This study revealed that the mutant, EMG1-D86G, clearly lost its nucleolar localization and co-precipitated to histones for unknown reasons.
A participation of the nuclear export receptor XPO5 in human ribosome biogenesis was shown in this study. Pulldown analysis, sucrose density gradients and UV crosslinking and analysis of cDNAs of XPO5 revealed the involvement of XPO5 in pre-60S subunit maturation. Moreover, besides the known pre-miRNAs and tRNAs as substrates for nuclear export, XPO5 crosslinked to snoRNAs. XPO5 was further demonstrated to interact with the miRNA Let-7a, which has an important regulatory function for MYC, a transcription factor required for ribosome biogenesis.
All results support a role of these proteins in human ribosome biogenesis and therefore it seems that the biogenesis of ribosomes in human cells requires additional components, like DDX21 and XPO5.
In this thesis the three dimensional solution strucutre of the RbfA protein from Thermotoga maritima was solved using multidimensional heteronuclear NMR spectroscopy. The RbfA protein binds to the helix I region of the 16S rRNA. To gain insights into the binding mode of RbfA to its target, a second RbfA construct from Helicobacter pylori was used. Comparison of the RbfA proteins with the published structure of RbfA from Escherichia coli, led to studies concerning the differences between proteins from thermophile and mesophile systems. In the second part of this thesis the native binding motive of the RbfA protein was identified. The RbfA protein binds to an alternate helix fold within the pre-sequence of the immature 16S rRNA.
RNA modifications are widespread in the RNA world. Nevertheless, their functions remain enigmatic. Recent analysis in tRNAs, mRNAs and rRNAs have revealed that apart from enriching their topological potential, these chemical modifications provide an added significant regulatory level to gene expression...
RNA modifications are present in all three kingdoms of life and detected in all classes of cellular RNAs. RNA modifications are diverse, with more than 100 types of chemical modifications identified to date. These chemical modifications expand the topological repertoire of RNAs and are expected to fine-tune their functions. Ribosomal RNA (rRNA) contains two types of covalent modifications, either methylation on the sugar (Nm) or bases (mN), or base isomerization (conversion of uridine into pseudouridines, "). Pseudouridylations and ribose methylations are catalyzed by site-specific H/ACA and C/D box snoRNPs, respectively. The RNA component (snoRNA) of both types of snoRNPs is responsible for the site selection by base pairing with the rRNA substrate, whereas the protein component catalyzes the modification reaction: Nop1 in C/D box and Cbf5 in H/ACA box snoRNPs. Contrastingly, base methylations are performed by snoRNA independent, ‘protein-only’, methyltransferases (MTases). rRNA modifications occur at highly conserved positions, all clustering around functional ribosomal sites. Mutations in factors involved in rRNA modification have been linked to severe human diseases (e.g. X-linked Dyskeratosis congenita). Emerging evidences indicate that heterogeneity in RNA modification prevails, i.e. not all positions are modified at all time, and the concept of ‘specialized ribosomes’ has been coined. rRNA modification heterogeneity has been correlated with disease etiology (cancer), and shown to play a role in cell differentiation(hematopoiesis). Remarkably, alteration in rRNA modification patterns profoundly affects the preference of ribosomes for cap- versus IRESdependent translation initiation, with major consequences on cell physiology.
Protein synthesis is a central process within every living cell, where information embodied in the nucleotide sequence of the mRNA is translated into the primary sequence of proteins. The translation procedure comprises four steps: initiation, elongation, termination, and recycling. Ribosome recycling orchestrated by the ATP‐binding cassette (ABC) protein ABCE1, renders mRNA translation into a cyclic process, connecting termination with re initiation. In Archaea and Eukarya, the ABC protein ABCE1 catalyzes ribosome recycling by splitting the ribosome (80S/70S) into the small 40S/30S and large 60S/50S subunits, providing them for the next translation round.
The ABC‐type ATPase one of the most conserved proteins, present in all Archaea and Eukarya, but not in Bacteria, is essential for life in all organisms examined so far. ABCE1 was initially identified as RNase L inhibitor (Rli1), involved in the antiviral RNA immunity, and as host protein 68 (HP68) playing a role in HIV capsid assembly. However, the strong sequence conservation of ABCE1 points towards a more fundamental function within cell homeostasis, which was found by its involvement in various translation processes. ABCE1 turned out to be the major ribosome recycling factor indispensable for life in Eukarya and Archaea, being involved in canonical translation, mRNA surveillance, ribosome biogenesis, and translation initiation.
Recent functional and structural data provided first insights into the mechanism of ABCE1 in ribosome recycling. The nucleotide‐binding domains (NBDs) sandwich two ATP molecules in the NBD1‐NBD2 interface causing an NBD engagement, which is released upon ATP hydrolysis. In case of ABCE1, this ATP‐dependent tweezer‐like motion of the NBDs transfers mechanical energy to the ribosome and tears the subunits apart. The FeS‐cluster domain may swing out of the NBD cleft into the inter‐subunit space of the ribosome, which drives the subunits apart either directly or via the bound a/eRF1. Hence, the subunits are released and the post‐splitting complex (PSC, 40S/30S∙ABCE1∙ATP) is available for re‐initiation events, presumably occurring via the known interactions of ABCE1with initiation factors.
One of the most crucial aspects of this model is the nucleotide‐dependent conformational switch of ABCE1, which drives ribosomal subunit splitting. However, the conformational states, which ABCE1 undergoes during ribosome recycling, including their mechanistic importance for its diverse functions, remain unknown. Further, the exact role and movement of the essential FeScluster domain during ribosome recycling are not yet understood. Additional, it remains elusive where ABCE1 is bound in the post‐splitting complex and how the splitting mechanism is regulated concerning the asymmetric NBDs and the coupling of nucleotide binding with NBD closing and ATP hydrolysis.
Thus, in order to monitor the conformational dynamics of the ribosome recycling factor ABCE1 two complementing methods in structural biology, namely single‐molecule based Förster resonance energy transfer (smFRET) and pulsed electron‐electron double resonance (PELDOR) spectroscopy were applied.
Single‐molecule FRET as an integrated biophysical approach based on Förster resonance energy transfer and single‐molecule detection was used to understand the fundamental molecular principles of ABCE1. Contrary to the anticipated two‐state model of ABC proteins, it was shown in this thesis that both nucleotide‐binding sites of ABCE1 are always in a dynamic equilibrium between conformational states with distinct properties: open, intermediate, and closed. The equilibrium in the two nucleotide‐binding sites is distinctly affected when ABCE1 interacts with ribosomal subunits and nucleotides. While ABCE1 can adopt all three conformational states in its free or 30S bound situation, the closed state has the highest affinity for 30S subunit. Further, dissociation of ABCE1 from the small ribosomal subunit, a step that completes the recycling process, is followed by the opening of the NBSs. Hence, the current findings have important implications not only for ribosome recycling but represent a new paradigm for the molecular mechanisms of twin‐ATPases.
The complementing PELDOR measurements provide the advantage of high distance precision and reliability studying macromolecular complexes. Distance distributions of a number of ABCE1 variants even bound to the 1‐MDa post‐splitting complex (30S∙ABCE1∙AMP‐PNP), composed of the 16S rRNA, 28 ribosomal proteins, and ABCE1, was analyzed. Thus, the available crystal structures of ABCE1 in the open state were validated, since all distances of ABCE1 measured in this study perfectly correspond to this crystallized state. Unfortunately, ABCE1 could not be trapped in the closed state under the experimental conditions applied, although plenty different approaches to stabilize this state were performed.
In the second part of this study the architecture yet unknown of the 1‐MDa post splitting complex (40S/30S∙ABCE1∙ATP), concerning especially the ABCE1 binding site and its interactions with translational proteins, was probed by a method, which combines chemical cross linking with mass‐spectrometry (XL‐MS). Following this approach, it was demonstrated that ABCE1 remains bound at the translational GTPase‐binding site after ribosome splitting, contacting the S24e protein of the small subunit. The platform for the intensive contacts to the small ribosomal subunit is thereby provided by the unique helix‐loop‐helix motif of ABCE1. Notably, the FeScluster domain of ABCE1 undergoes a large rotational and translational rearrangement towards the small ribosomal subunit S12 upon nucleotide‐dependent closure of the NBDs. Thus, a key complex in the translational cycle, resembling the link between translation initiation and ribosome recycling processes, was reconstituted and structurally analyzed.
RNA-Aptamere sind kurze einzelsträngige Oligonukleotide, die ein Zielmolekül spezifisch erkennen und über ihre 3D-Struktur binden. Die Identifizierung von Aptameren erfolgt mittels in vitro Selektion nach dem Kriterium einer hohen Bindungsaffinität und/oder -spezifität. Das Tetracyclin-bindende Aptamer gehört zu den Aptameren mit der höchsten bekannten Liganden-Affinität. Darüber hinaus gehört es zu den wenigen RNA-Aptameren, die in vivo als artifizieller Riboswitch zur Modulation der Genexpression eingesetzt werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das Tetracyclin-bindende Aptamer mittels NMR-spektroskopischer und biophysikalischer Methoden im ligandfreien sowie im ligandgebundenen Zustand untersucht, um neben der bereits bekannten Kristallstruktur des RNA-Tetracyclin-Komplexes Aufschlüsse über den dynamischen Ligandenbindungsprozess und die damit verbundene genregulatorische Aktivität des Aptamers zu erhalten. Hierfür wurde der Einfluss von Mg2+-Ionen auf die globale und lokale Strukturausbildung des ligandfreien Aptamers analysiert. Durch die Bindung von Mg2+-Ionen an die RNA wird eine kompakte RNA-Struktur stabilisiert, die neben zahlreichen komplexen Tertiärinteraktionen eine starre Bindungstasche ausbildet, in der der Ligand nach einem „Schlüssel-Schloss-Prinzip“ bindet. Die Ligandbindung zieht nur noch kleinere strukturelle Änderungen nach sich. Mittels der Stopped-Flow-Technik wurden die kinetischen Aspekte der Ligandbindung in Abhängigkeit der Mg2+-Konzentration untersucht. Diese Methode ermöglichte die Analyse der Zusammenhänge zwischen RNA-Faltung und anschließender Komplexbildung in Echtzeit. Die Analyse der Stopped-Flow-Messungen ergab, dass die Geschwindigkeit des Ligandbindungsprozesses wesentlich von der Mg2+-induzierten Strukturausbildung abhängig ist. Die Mg2+-vermittelte globale Organisation der RNA-Struktur ist somit der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des Ligandbindungsprozesses. Die RNA-Mg2+-Interaktionen bestimmen also nicht nur die 3D-Struktur des Tetracyclin-bindenden Aptamers, sondern auch die Kinetik des Ligandbindungsprozesses. Der detaillierte Vergleich des Tetracyclin-Aptamers in seiner ligandfreien und ligandgebundenen Form ergab, dass trotz der stark ausgeprägten strukturellen Ähnlichkeit, lediglich die ligandgebundene Form in einer thermisch stabilen Konformation vorliegt. Die signifikante Erhöhung der Thermostabilität durch die Ligandbindung ist die essentielle Voraussetzung für die genregulatorische Funktion des Aptamers. Basierend auf diesen Ergebnissen ist also nicht die Struktur, sondern die strukturelle Stabilität ausschlaggebend für die regulatorische Aktivität des Tetracyclin-bindenden Aptamers.
Ein weiterer Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung des Bindungsmodus von GTP an die GTP-bindenden Aptamere 9-4, 10-10, Klasse II und Klasse V. Durch den direkten NMR-spektroskopischen Nachweis von Wasserstoffbrückenbindungen konnte eine intermolekulare G:C-Watson-Crick-Basenpaarung zwischen GTP und den GTP-bindenden Aptameren 9-4, 10-10 und Klasse II gezeigt werden. Basierend auf diesen Ergebnissen konnte durch eine C zu U Mutation die Bindungsspezifität des Aptamers Klasse II von GTP zu 2-Amino-ATP verändert werden.
Weiterhin konnte im Rahmen dieser Arbeit ein intermolekularer G-Quadruplex als Ligandbindungsmodus zwischen GTP und dem GTP-bindenden Aptamer Klasse V beschrieben werden. Hierbei bildet GTP mit sieben Guanin-Basen der RNA eine intermolekulare G-Quadruplexstruktur, bestehend aus zwei übereinanderliegenden Guanin-Tetraden, aus. Durch den Einsatz von 15N-markiertem NH4+ konnte eine spezifische Kaliumbindungsstelle im Zentrum der Quadruplexstruktur lokalisiert werden, die zur Stabilisierung des RNA-Ligand-Komplexes dient. Die beobachteten NOE-Kreuzsignale zwischen den Protonen des gebundenen NH4+ und den Protonen der RNA bestätigten dabei die Ausbildung eines intermolekularen G-Quadruplexes. Zusätzlich ergab die Analyse der NMR-Spektren, dass die G-Quadruplexstruktur erst im Zuge der Ligandbindung ausgebildet wird. Die Bildung eines G-Quadruplexes, in der der Ligand einen integralen Bestandteil der Quadruplexstruktur darstellt, ist ein bislang unbeschriebener Bindungsmechanismus.
Mitglieder der ubiquitär verbreiteten Cryptochrom-Photolyase-Familie sind Blaulicht-absorbierende Flavoproteine mit hoher Sequenzhomologie aber diversen Funktionen. Photolyasen katalysieren die Reparatur UV-Licht-induzierter DNA-Schäden. Cryptochrome (CRYs) wirken als lichtunabhängige Transkriptionsrepressoren innerhalb des Kern-Oszillators der circadianen Uhr oder als primäre Photorezeptoren zur Synchronisation dieser mit dem äußeren Tag-Nacht-Rhythmus und steuern durch Regulation der Genexpression Wachstum und Entwicklung. Gemeinsames Strukturmerkmal aller CPF-Vertreter ist die Photolyase- homologe Region (PHR), die das Chromophor Flavinadenindinukleotid (FAD) bindet, das lichtabhängig zwischen den Redoxformen oxidiert (FADox), semireduziert (FAD●- bzw. FADH●) und vollreduziert (FADH-) wechseln kann und damit die CRY-Konformation und -Aktivität beeinflusst. Unterscheidungsmerkmale sind die spezifische C-terminale Erweiterung (CTE) sowie die Komposition der FAD-Bindetasche, die unterschiedliche FAD-Redoxformen stabilisiert. Die Mechanismen der CRY-Photosignaltransduktion sind nicht völlig erforscht.
CryP ist eines von vier CRYs in der Diatomee Phaeodactylum tricornutum und gehört zur bislang nicht charakterisierten Gruppe pflanzenähnlicher CRYs. In vorhergehenden Untersuchungen wurde für CryP eine nukleare Lokalisation und damit verbunden eine blaulicht- sowie dunkelabhängige Regulation der Transkription unterschiedlichster Gene gezeigt. Zudem reguliert CryP das Proteinlevel photosynthetischer Lichtsammelkomplexe. CryP interagiert mit bisher nicht charakterisierten Proteinen aus dem Bereich DNA und Regulation sowie Ribosomen und Translation. Heterolog exprimiertes und isoliertes CryP stabilisiert das Neutralradikal FADH● und das Antennenchromophor Methenyltetrahydrofolat (MTHF).
In vorliegender Dissertation wurde die Bedeutung des FAD-Redoxzustands und der C-terminalen Proteindomäne für Strukturänderungen hinsichtlich der Oligomerisierung und Konformation sowie für das CryP-Interaktionsverhalten untersucht. Hierzu wurden rekombinante CryP-Varianten heterolog isoliert, die Mutationen in für die FAD-Reduzierbarkeit entscheidenden Aminosäuren oder eine Deletion der CTE tragen.
Die Analyse der CryP-Oligomerisierungsstufe und Konformation erfolgte mittels Ko-Präzipitation, nativen und zweidimensionalen PAGEs sowie partieller Proteolyse. Dabei wurde heterolog isoliertes CryP in seinen drei Redoxformen oxidiert (mit FADox), semireduziert (mit FADH●) und vollreduziert (mit FADH-) sowie das um die CTE-verkürzte CryP-PHR verglichen. Für CryP wurde eine redoxunabhängige, PHR-vermittelte Di- und Tetramerisierung über elektrostatische Wechselwirkung der Monomere beobachtet. Die CTE bindet spezifisch und redoxunabhängig an die PHR in einem Bereich um die FAD-Bindetasche. Dies schließt eine großräumige Konformationsänderung zwischen PHR und CTE infolge einer FAD-Photoreduktion wie für pflanzliche und viele tierische CRYs als Aktivierungsmechanismus für CryP aus.
Interaktionsstudien mittels zweidimensionaler PAGE gaben Aufschluss über unterschiedliche Bindeverhalten der beiden betrachteten Interaktionspartner an CryP. Sowohl BolA, ein potentieller redoxregulierter Transkriptionsfaktor, als auch ID42612 mit unbekannter Funktion interagieren mit CryP unabhängig von der FAD-Redoxform. Dabei bindet BolA an die CTE des CryP-Dimers und -Monomers, während ID42612 einen Komplex mit dem CryP-Dimer bildet.
Mittels in vitro Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie wurde die FAD-Redoxchemie von CryP und CryP-PHR verglichen. Die beiden Varianten unterscheiden sich in der FAD-Photoreduzierbarkeit und -Oxidationskinetik. Das Volllängenprotein CryP kann ohne externes Reduktionsmittel zum semireduzierten FADH● phototreduziert werden, das im Gegensatz zu bekannten CRYs über Tage im Dunkeln stabil gegen aerobe Oxidation ist. Eine Belichtung mit Reduktionsmittel führt zur Bildung des vollreduzierten FADH-, das innerhalb von Minuten zu FADH● rückoxidiert. Das um die CTE verkürzte CryP-PHR kann nur mit externem Reduktionsmittel zu FADH● photoreduziert werden, der vollreduzierte Zustand wird nie erreicht. Die Stabilisierung von FADH● gegen aerobe Oxidation im CryP-Holoprotein ist vergleichbar zur FAD-Redoxchemie von Photolyasen. Verglichen mit sonstigen charakterisierten CRYs ist die Wichtigkeit der CTE für eine effiziente FAD-Photoreduktion und FADH●-Stabilisierung eine CryP-spezifische Charakteristik.
Neben der CTE trägt die zu FAD-N5 proximal gelegene Position zur FADH●-Stabilisierung bei, wie Absorptionsmessungen an CryP_N417C zeigten. CryP weist mit Asparagin die gleiche Konservierung an dieser Position wie Photolyasen auf und unterscheidet sich damit ebenfalls von klassischen CRYs.
Analysen zur cryp-Transkription mittels qRT-PCR zeigten eine rhythmische Expression mit maximalen Transkriptmengen in der Nacht und eine rasche photoinduzierte Herunterregulation der Transkription...
RNAs are key players in life as they connect the genetic code (DNA) with all cellular processes dominated by proteins. The dynamics study of RNA modifications has become an important part of epitranscriptomics field, as they are reversible and dynamically regulated far more than originally thought. Several evidences portrait a catalog of RNA modifications and their links to neurological disorders, cancers, and other diseases. Therefore, a deeper investigation of RNA modifications dynamics including their specific profile, biosynthesis, maturation and degradation is required for pioneering disease diagnostics and potential therapeutics development.
Mammalian tissues reveal diverse physiology and functions, despite sharing identical genomes and overlapping transcription profiles. So far, most research on this diversity were referred to variable transcriptomic processing among tissues and differential post-translational modifications that tune the activity of ubiquitous proteins to each tissue’s needs. However, study of epitranscriptome dynamics relevance to tissues’ functions is not yet revealed. There are a few reports on mouse RNA modification profiles, which are focused on only one type of RNA and limited types of modifications. The first part of my dissertation aims to generate a comprehensive tissue-specific as well as RNA species-specific investigation of all existing RNA modifications, as well as investigating potential codon as an effector of translation diversity among tissues. Using isotope dilution mass spectrometry, I created a library including absolute quantification of 24 tRNA modifications, and up to 22 rRNA modifications. I find an almost identical pattern of modifications in 28S- and 18S-rRNA subunits, but different levels of most modifications in 5.8S-rRNA or tRNA among highly metabolic active organs to e.g. heart or spleen. The findings suggest a high degree of similarity between quantities of modifications between presented data to all previous literature, confirming that it is a suitable model to study the tissue-based RNA modification patterns.
The most noticeable difference exhibited was tRNA modifications, which suggests a discerning tRNA engagement in translation between different organs. This can be a good start for investigation of codon bias in enriched genes of specific tRNA modifications among different tissues that may cause differential translation pattern, causing organs diversity. Moreover, 5.8S rRNA data showed an organ-specific pattern, which proposes functional diversity of this rRNA subunit among different organs. Future studies must investigate the possible implications of organ-specific 5.8S rRNA modifications functions, to elucidate the core of the observed variations.
Abundance of RNA modifications is carefully regulated in cells. Part of this regulation is achieved by activity of enzymes removing RNA modifications, named RNA erasers. Literature has provided proof of demethylation activity of AlkBH family on different types of RNA. For instance, AlkBH5 is known to remove m6A in mRNA, and both AlkBH3 and AlkBH1 are reported to demethylate m1A and m3C in tRNA. So far, RNA erasers are mainly studied in vitro and direct in vivo studies are missing.
Mass spectrometry is a promising approach in the identification and quantification of many RNA modifications. However, mass spectrometric analysis by nature, offers only a static view of nucleic acid modifications, and fails to account for their cellular dynamics. Nucleic Acid Isotope Labeling coupled Mass Spectrometry (NAIL-MS) was developed as a powerful technique which differentiates among remaining, co-transcriptional and post-transcriptional incorporation of a target RNA modification. This temporal resolution captures the dynamic nature of RNA modifications, and offers absolute and relative quantification of all existing nucleosides in any given RNA sequence, including different isotopologues and isotopomers.
The objective of this study was to uncover the first “direct” iv vivo data on AlkBH1, 3 and 5 activities in demethylating each of their specific substrates. I investigated the RNA modification changes through pulse-chase experiments in collaboration with my colleagues Dr. Kayla Borland and Dr. Felix Hagelskamp. A remarkable observation was that AlkBH3 protein -but not AlkBH1- was overexpressed under methylating reagent treatment in vivo. These findings suggest that AlkBH3 -but not AlkBH1- is a methylation damage induced enzyme, that potentially triggers ASCC-AlkBH3 alkylation repair complex after aberrant methylation damage by MMS treatment. However, using NAIL-MS method, we could not detect any significant effect on demethylation activity of the enzymes in tRNA, rRNA or mRNA towards the possible substrates m6A, m1A, m3C, m5C and m7G in vivo. These distinct outcomes can be partially explained by probable existence of other unidentified demethylases that compensate for AlkBHs demethylation activity; or more probably, demethylation may still arise by remaining active AlkBHs to restore the original levels of the observed RNA modifications, since a stronger KD or a complete knockout of AlkBHs genes was not possible. Further research on fully knocked out AlkBHs genes can provide stronger evidence on unidentified demethylation activities in HEK cells.
Eine große Gruppe von Aptameren sind die Guanosintriphosphat (GTP) Aptamere. Diese zeigt sehr eindrücklich, wie RNA unterschiedliche Strategien nutzt, um denselben Liganden zu erkennen. Die komplette Struktur des GTP Klasse II Aptamers wird in der ersten Publikation gezeigt. Interessanterweise zeichnet die Struktur ein stabil protoniertes Adenine unterhalb der GTP-Bindestelle aus. Dieses wurde durch eine Kombination aus weiterführenden NMR- und ITC-Experimente untersucht und charakterisiert. Es zeigte sich, dass die protonierte Base einen pKs-Wert hat, der weit von der Neutralität verschoben ist. Die Protonierung ist auch noch bei sehr basischen Puffern stabil.
Eine Art der funktionellen Protonierung wird von den zyklischen di-Nukleotiden (CDN) bindenden Riboswitches genutzt, um zwei CDN mit ähnlicher Affinität zu binden. c-di-GMP Riboswitches wurden als regulatorische Einheit beschrieben und deren Kristallstruktur aufgeklärt. Mutationsexperimente führten dazu, dass bei einer G-zu-A Mutation an der Gα-Bindestelle die Selektivität des Riboswitches verändert wurde. Die Mutante bindet sowohl c-di-GMP als auch cGAMP mit ähnlichen Bindungsaffinitäten. Riboswitche, die cGAMP binden wurden auch in der bakteriellen Genomen gefunden. Hierbei ist die Promiskuität unterschiedlich stark ausgeprägt. Die Untersuchung des Bindungsmodus und der damit verbundenen Promiskuität ist in der zweiten Publikation beschrieben. Hier wurde gezeigt, dass die Riboswitche beide Liganden nur binden können, wenn zur Bindung von c-di-GMP das Ligand bindende A protoniert vorliegt. Auch diese Protonierung konnte mit weiterführenden NMR- und ITC-Experimenten charakterisiert werden. Die Untersuchungen einer solch großen RNA sind mit NMR Spektroskopie herausfordernd. Hierbei wurde ausgenutzt, dass die Kristallstruktur bereits bekannt war, welche allerdings die Protonierung nicht zeigte. Auch diese Protonierung zeigt einen pKs-Wert, der weit von der Neutralität verschoben ist und außerdem bei unterschiedlichen pH stabil ist.
In den beiden untersuchten Beispielen wurden zwei verschiedene Arten von Protonierung gezeigt: eine strukturelle und eine funktionelle. Das GTP Klasse II Aptamer benutzt die Protonierung als strukturelle Basis für die Basis der Ligandenbindungsstelle. Hierbei werden durch die Protonierung des Adenines mehr nutzbare Wasserstoffbrücken ausgebildet und damit die Tertiärstruktur stabilisiert. Im Unterschied dazu nutzen die promiskuitiven CDN Ribsowicthes die Protonierung, um verschiedene Liganden binden zu können und es kommt damit zu einer Verschiebung der Funktionalität. Der regulatorische Nutzen dafür ist allerdings noch unbekannt.
Auch bei den SAM Riboswitches wurde ein promiskuitiver Vertreter beschrieben. SAM Riboswitches gehören zu den am längsten bekannten Klassen der Riboswitches. Bis heute sind hier die meisten unterschiedlichen Klassen bekannt. SAM wird häufig als Donor für funktionelle Gruppen benutzt, besonders häufig als Methlygruppendonor für die Methylierung einer Reihe unterschiedlicher Substrate (z.B. DNA, Proteine, Metabolite etc.). Bei dieser Reaktion entsteht SAH als Nebenprodukt. Zusätzlich ist SAH zelltoxisch, da es affin an Methyltransferasen bindet und damit diese essenzielle Reaktion inhibiert. Eine enge Kontrolle der SAH-Konzentration ist daher kritisch. SAM bindende Riboswitches haben zu SAM eine bis zu 1000-fach höhere Bindungsaffinität im Vergleich zu SAH. Die Beschreibung eines translationalen OFF-Riboswitches, der SAM und SAH mit ähnlicher Affinität bindet, ist daher überraschend. Zumal seine Genassoziation fast ausschließlich zu SAM Synthetasen ist, deren Regulation durch SAH wenig sinnvoll erscheint. Um ein besseres Verständnis für die Funktion des SAM/SAH Riboswitches zu erhalten, wurde seine 3D-Struktur mittels NMR-Spektroskopie aufgeklärt, wie in der vierten Publikation beschrieben. Dafür mussten zunächst alle Resonanzen der Sequenz und dem Liganden zugeordnet werden, wie in der dritten Publikation beschrieben. Dabei wurde als Ligand SAH gewählt, da dieser chemisch stabiler und damit für die teils tagelangen NMR-Messungen besser geeignet ist. Zusätzlich wurden Mutanten bzw. verwandte Liganden mittels ITC Experimente auf ihre Bindungseigenschaften untersucht, um die Bedeutung der Linkerlänge, einzelner Basenpaare und funktionelle Gruppen des Liganden zu untersuchen. Bei anderen bekannten SAM Riboswitches umschließt die RNA den Liganden fast komplett. Dabei wird zum einem das Sulfoniumion spezifisch durch die Carboxylgruppen verschiedener Uracil-Nukleotide erkennt und koordiniert. Außerdem bildet sich eine Bindetasche aus, die genug Platz für die stabile Bindung der Methylgruppe hat. Beim SAH Riboswitch wird die Selektivität für SAH dadurch erreicht, dass die Bindetasche sterisch keinen Platz für die Methylgruppe von SAM bereitstellt.
Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit drei verschiedene Ligand bindende RNA-Strukturen untersucht, die alle sehr unterschiedliche Strategien zur Bindung der Liganden nutzen. Obwohl Portionierungen bei Aptameren und Riboswitches selten beschrieben wurden, haben sie eine maßgebliche Funktion in den beiden zuerst untersuchten Strukturen. Obwohl bisher im Hinblick auf alle bekannten RNA Strukturen eher selten beschrieben, gibt es doch neben den genannten zwei, einige Beispiele für strukturelle oder funktionelle Protonierungen. Auch in Hinblick auf zukünftige bzw. Verbesserung bestehender RNA-Strukturvorhersage-Programme ähnlich wie sie für Proteine schon lange nutzt werden, müssen protonierte Nukleobasen ernsthaft in Betracht gezogen werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass zwei der untersuchten Riboswitches zwei Liganden mit ähnlicher Affinität binden. Die genutzte Strategie ist hierbei unterschiedlich. Während bei den promiskuitiven CDN Riboswitches der regulatorische Nutzen noch unbekannt ist, konnte für den SAM/SAH Ribsowitch gezeigt werden, dass SAH nur zufällig aufgrund der wahrscheinlich sehr niedrigen intrazellulären Konzentration gebunden wird und dieser daher wahrscheinlich später in der evolutionären Entwicklung entstanden ist. Riboswitches halten es weiterhin spannend.