Surveillance of mRNP composition during translation termination regulates gene expression via nonsense-mediated mRNA decay

Böhm, Volker (2015). Surveillance of mRNP composition during translation termination regulates gene expression via nonsense-mediated mRNA decay. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

Preview

PDF
Dissertation_Volker_Boehm_2015.pdf
Download (30MB)

Abstract

Eukaryotic gene expression consists of a series of events mediating the information flow from DNA via mRNA to protein. Cellular surveillance mechanisms exist to detect and eliminate erroneous mRNA in order to prevent the production of incorrect transcripts. Nonsense-mediated mRNA decay (NMD) targets mRNA for degradation, which terminate translation prematurely or incorrectly. Thereby, NMD prevents the synthesis of unfunctional or harmful peptides. Besides this quality control function, NMD also regulates the levels of many full-length protein encoding mRNA. The messenger ribonucleoprotein (mRNP) architecture downstream of the stop codon is the main determinant for the initiation of the NMD pathway. Exon-junction complexes (EJCs) and long 3′ untranslated regions (UTRs) are known stimulators of NMD. EJCs are central components of the gene expression pathway and are deposited upon splicing on the mRNA. The exact mechanism how these mRNP elements induce NMD is unclear. Moreover, the series of molecular events ultimately leading to the degradation of the mRNA, as well as the precise interplay of NMD factors during this process, are not well defined. In this cumulative work, several important steps in the NMD pathway were investigated. I could show that that for NMD suppression, an interaction cascade involving the eukaryotic release factor 3 (eRF3), the cytoplasmic poly(A) binding protein (PABPC1) and the cap-binding EIF4F complex component eIF4G is required. This suggests that efficient ribosome recycling is important for the normal termination of translation, which in turn prohibits the activation of NMD. To gain insight into the mode of EJC assembly during splicing, CWC22, an essential splicing component, was identified as the critical EJC loading factor. Remarkable differences were observed when comparing long 3′ UTRs and EJCs as NMD-inducing elements. These differences involved not only the efficiency of mRNA degradation, the mode of NMD activation, but also the requirements of NMD factors. These results indicate that EJCs are highly evolved mRNP markers, which utilize a specific mechanism to achieve efficient degradation of the target mRNA. In contrast, long 3′ UTRs influence the mRNP composition around the stop codon, thus impairing regular translation termination and leading to infrequent and less efficient mRNA degradation. In conclusion, this work illuminates multiple aspects of mammalian NMD and highlights the important missing pieces of information, which are to be uncovered by future research.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Die eukaryotische Genexpression besteht aus einer Reihe von Abläufen, welche den Informationsfluss von der DNA über mRNA bis zum Protein vermitteln. Dabei existieren zelluläre Überwachungsmechanismen die fehlerhafte mRNA detektieren und eliminieren, um dadurch die Produktion von inkorrekten Transkripten zu verhindern. Nonsense-vermittelter mRNA Abbau (NMD) führt zu dem Abbau von mRNA welche die Translation frühzeitig oder inkorrekt terminieren. Dadurch unterbindet NMD die Synthese von funktionsunfähigen oder schädlichen Peptiden. Neben dieser Qualitätskontrollfunktion, reguliert NMD auch viele mRNA die für Volllänge-Proteine kodieren. Die messenger-Ribonucleoprotein (mRNP) Architektur strangabwärts des Stopcodons ist ausschlaggebend für die Initiierung des NMD Abbauweges. Exon-junction Komplexe (EJC) und lange 3′ untranslatierte Bereiche (UTR) sind bekannte NMD Stimulatoren. EJCs sind zentrale Bestandteile der Genexpression und werden während des Spleißens auf der mRNA platziert. Der exakte Mechanismus wie diese mRNP Elemente NMD induzieren können ist unklar. Weiterhin sind der Ablauf der molekularen Ereignisse welche schlussendlich zum Abbau der mRNA führen, wie auch das präzise Zusammenspiel der NMD Faktoren während dieses Prozesses, nicht gut definiert. In dieser kumulativen Arbeit wurden mehrere wichtige Schritte des NMD Abbauweges untersucht. Dabei konnte ich zeigen, dass eine Interaktionskaskade für die Unterdrückung von NMD notwendig ist, welche den eukaryotischen Terminationsfaktor 3 (eRF3), das zytoplasmatische poly(A) Bindeprotein (PABPC1) und eIF4G, ein Bestandteil des Kappe-bindenden eIF4F Komplexes, beinhaltet. Dies weist darauf hin, dass effizientes Recycling des Ribosoms wichtig ist für die normale Termination der Translation, welche wiederum NMD verhindert. Zudem wurde das essentielle Spleißprotein CWC22 als der entscheidende Faktor für die Assemblierung von EJCs während des Spleißens identifiziert. Bemerkenswerte Unterschiede wurden deutlich beim Vergleich von langen 3' UTR und EJCs als NMD induzierenden Elementen. Dies betrifft nicht nur die Effizienz des mRNA-Abbaus, die Art und Weise der NMD-Aktivierung, sondern auch die Anforderungen an NMD Faktoren. Diese Ergebnisse zeigen, dass EJCs hochentwickelte mRNP Marker sind, die einen spezifischen Mechanismus verwenden, um einen effizienten Abbau der Ziel-mRNA zu erreichen. Im Gegensatz dazu beeinflussen lange 3' UTRs die mRNP Zusammensetzung in der Nähe des Stopcodons, wodurch die reguläre Translations-Termination beeinträchtigt wird und dadurch seltener und weniger effizienter mRNA-Abbau eingeleitet wird. Zusammenfassend beleuchtet diese Arbeit mehrere Aspekte des Säugetier NMDs und hebt wichtige Punkte heraus, welche durch zukünftige Forschung zu beantworten sind.

German

Creators: