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Characterization of posttranscriptional regulation elements – From protein degradation to functional RNA structures

Peter, Stephen (2022):
Characterization of posttranscriptional regulation elements – From protein degradation to functional RNA structures. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00021195,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Characterization of posttranscriptional regulation elements – From protein degradation to functional RNA structures
Language: English
Abstract:

Posttranscriptional gene regulation in eukaryotic cells is one of the most important mechanism in complex life to either control protein synthesis or diversity at any given moment in the life of a cell. Consequently, deregulation of the many processes involved in posttranscriptional regulation can lead to severe diseases, such as Alzheimer’s disease or certain types of cancer. RNA-binding proteins (RBPs) can also facilitate alternative splicing (AS), which increases protein diversity and fine tunes the protein amount and function in the case of different stress conditions. A deregulation of AS events can lead to severe diseases, such as Parkinson’s disease or certain cancer variants. I characterized a newly described mechanism, where AS events are coupled to rapid protein decay. We termed this event AS-CPD, alternative splicing coupled to constitutive protein decay. The protein decay signal (degron) found in mammalian cells is also functional in Saccharomyces (S.) cerevisiae and Escherichia (E.) coli cells. It is dependent on hydrophobic amino acids in the C-terminus and has the capability to rapidly and efficiently reduce the amount of the tagged protein to an undetectable amount in mere minutes. This mechanism might be due to a conserved stress response in the tested organism. The degron described in this thesis could be a potential tool for new kinetic analysis. Major players in posttranscriptional regulation are trans-acting RBPs, such as Roquin or AUF1. Roquin is a key regulator in immune homeostasis and recognises stem-loop (SL) structures in 3’-UTRs (untranslated regions) to destabilise certain messenger RNAs (mRNAs). In this study, we found, that Roquin can recognise not only classical constitutive decay elements (CDEs), but also AU-rich decay element (ARE)-like CDEs. The binding of these elements may also be subject to competition between different RBPs, as it is in the case of the UCP3 3’-UTR CDEs. Here, Roquin and AUF1 compete for the binding to CDE1. RNA structure often implies a certain function in the organism. The pandemic causing virus SARS-CoV-2 is an RNA virus with a 30 kb long heavily structured genome. The many SLs in the 5’- and 3’-UTRs fulfil different essential functions, which are partially unknown. Here, we provide a detailed analysis of the structure of the genome and impose a screen of chemical compounds with the ability to bind RNA. We found a potent binder D01 with the ability to bind the pseudoknot in between the two open reading frames (ORFs) 1a and 1b, which encode different and essential parts of the viral proteome. These compounds might be a precursor for future potent drugs, able to target RNA viruses with structured genomes.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Posttranskriptionelle Genregulation in eukaryotischen Zellen ist einer der bedeutendsten Mechanismen in komplexen Lebewesen, um einerseits die Proteinsynthese oder die Protein-Diversität zu jedem Zeitpunkt beeinflussen zu können. Eine Deregulation der vielen Prozesse, die posttranskriptionelle Regulation beinhalten, können zu schweren Krankheiten, wie zum Beispiel Alzheimer oder verschiedenen Krebsarten führen. RNA-bindende Proteine (RBPs) sind am alternativen Spleißen beteiligt, wodurch die Protein-Diversität erhöht wird. Dies wiederum dient zur Feinjustierung der Proteinmenge oder -Funktion bei verschiedenen Arten von Stress. Eine Deregulation von AS kann zu verschiedenen Krankheitsbildern, wie zum Beispiel Parkinson oder verschiedenen Krebsarten führen. Ich konnte einen neuen Mechanismus beschreiben, der alternatives Spleißen mit rapiden Proteinabbau in Verbindung bringt. Diesen Mechanismus haben wir AS CPD genannt, alternative splicing coupled to constitutive protein decay. Das Proteindegradationssignal (Degron), dass wir in menschlichen Zellen gefunden haben, ist auch in Saccharomyces (S.) cerevisiae und Escherichia (E.) coli Zellen funktional. Es ist von hydrophoben Aminosäuren im C-Terminus abhängig und hat die Fähigkeit schnell und effizient die Zielproteine in wenigen Minuten zu degradieren. Diesem Mechanismus könnte eine konservierte Stressantwort zu Grunde liegen. Das von mir beschriebene Degron könnte ein potentielles Werkzeug für Enzymkinetik-Untersuchungen darstellen. Wichtige Faktoren der posttranskriptionellen Regulation sind trans-agierende RBPs, wie beispielsweise Roquin oder AUF1. Roquin ist ein wichtiger Faktor in der Immunhomöostase und erkennt Stammschleifenstrukturen im 3’-untranslatiertem Bereich (UTR) um bestimmte mRNAs zu destabilisieren. Wir fanden heraus, dass Roquin nicht nur klassische constitutive decay elements (CDEs), sondern auch AU-reiche decay elements (ARE)-ähnliche CDEs erkennt. Die Bindung dieser Elemente unterliegt einer Konkurrenz verschiedener RBPs, so wie es bei dem 3’-UTR von UCP3 der Fall ist. In unserem beschriebenen Fall, konkurrieren AUF1 und Roquin um die Bindung an CDE1. RNA Strukturen haben oft eine Funktion in einem Organismus. Das pandemische Virus SARS-CoV-2 hat ein ca. 30 kb langes, stark strukturiertes Genom. Die vielen Stammschleifen im 5’- und 3’ UTR haben unterschiedliche, essentielle Funktionen, die zum Teil unbekannt sind. In unseren Studien zeigen wir detaillierte Strukturen des Genoms und stellen einen Screen kleiner chemischer Komponenten, die eine RNA Bindefähigkeit haben, vor. Wir haben einen potenten Binder D01 gefunden, der den Pseudoknoten zwischen den offenen Leserahmen 1a und 1b bindet. Diese Leserahmen codieren essentielle Proteine des Virus Genoms. Der Binder D01 könnte ein Vorläufer Medikament gegen RNA Viren mit strukturiertem Genom sein.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 149 Seiten in verschiedenen Seitenzählungen
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology > RNA Biochemistry
Date Deposited: 27 Apr 2022 12:06
Last Modified: 27 Apr 2022 12:06
DOI: 10.26083/tuprints-00021195
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-211953
Referees: Weigand, Prof. Dr. Julia ; Süß, Prof. Dr. Beatrix
Date of oral examination: 25 March 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21195
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