Several mechanisms have been proposed for the pol I transcript termination in Schizosaccharomyces pombe. Two well known models are “Pause and Release” and “Torpedo”. Each mechanism explains the role of some of the cis- and trans-factors in transcript termination and the eventual maturation of the ribosomal RNA, but neither mechanism can explain all the experimental observations. A recent study has suggested that each of the two mechanisms can terminate the pol I transcription independently but with significantly less efficiency than the presence of both mechanisms. To help clarify the reasons for the discrepancies in these data, in this study the suggested mechanisms were examined further in three areas by using alternative techniques. First, the effect of uracil concentration or selection times on the transformation frequency of alternative 3’external transcribed spacer (3’ETS) constructs were assessed. Consistent with the previous results a construct containing the full 3’ETS showed the higher transformation frequencies compared with a construct containing only the hairpin or only the termination sites. However, results showed neither the uracil concentration nor selection times have a significant effect on the transformation frequency. Second, to further confirm the “pause and release” mechanism, the termination sites identified by S1 nuclease studies were analyzed using ligation-mediated RT-PCR. The 3’ terminus of the mature 25S rRNA was demonstrated readily but, unexpectedly, the 3’termini of the 3’ETS precursor molecules were not detected, possibly because of their specific structure. Finally, the 3’ extended rRNA precursors were studied by semi-quantitative RT-PCR. These appeared not to correspond with past nuclease protection analyses nor did they demonstrate downstream exonuclease function, observations which question our current understanding of Pol I transcript termination.

Το ριβοσωματικό RNA (rRNA) παίζει σημαντικό ρόλο στη διαδικασία της ακριβούς αποκωδικοποίησης της γενετικής πληροφορίας. Σύμφωνα με πρόσφατες κρυσταλλικές δομές υψηλής ευκρίνειας της μικρής υπομονάδας του προκαρυωτικού ριβοσώματος, η περιοχή αποκωδικοποίησης αποτελείται κυρίως από rRNA, περιλαμβάνοντας κυρίως τις έλικες 18 και 34, καθώς και τις αδενίνες Α1492 και Α1493 της έλικας 44 του 16S rRNA. Επιπροσθέτως, ο ρόλος του rRNA στην ακριβή αποκωδικοποίηση της γενετικής πληροφορίας έχει αποκαλυφθεί εκτενώς μέσω κατασταλτικών ή αντικατασταλτικών μεταλλάξεων, οι οποίες αυξάνουν ή μειώνουν τη λανθασμένη ανάγνωση του mRNA, αντίστοιχα. Πολλές από τις μεταλλάξεις αυτές αφορούν στο 16S rRNA της Escherichia coli. Μεταξύ αυτών είναι η μετάλλαξη C310G στην έλικα 12, η G1206C στην έλικα 34 και η G517A στην έλικα 18. Στο πρώτο μέρος της παρούσης μελέτης εξετάσθηκε το αντίκτυπο των αντίστοιχων μεταλλάξεων com1 (C310G), com6 (G1206C) και rdn2 (G517A) στο 18S rRNA του Saccharomyces cerevisiae. Τα κύτταρα yeast μετασχηματίστηκαν με rDNA πλασμίδια αγρίου-τύπου (wt) ή μεταλλαγμένα, τα οποία έφεραν τις προαναφερθείσες μεταλλάξεις. Τα κύτταρα που ελέγχθηκαν ήταν το αγρίου τύπου (rdnwt), τα μεταλλάγματα rdn2, com1, καθώς και τα διπλά μεταλλάγματα com1rdn2 και com6rdn2. Το αντίκτυπο της μετάλλαξης com6 εξήγχθη έμμεσα από το διπλό μετάλλαγμα com6rdn2, αφού το μετάλλαγμα com6 δεν ήταν διαθέσιμο στο Εργαστήριο (Τα στελέχη αυτά χορηγήθηκαν από το Εργαστήριο της Dr Susan Liebman, University of Illinois at Chicago, USA). Όσον αφορά στη μελέτη ανάπτυξης των στελεχών αυτών, τα στελέχη com1 παρουσίασαν εξαιρετικά αργή ανάπτυξη παρουσιάζοντας 3 φορές αύξηση του χρόνου διπλασιασμού τους σε σχέση με τα κύτταρα rdnwt. Αντίθετα, το μετάλλαγμα rdn2 παρουσίασε παρόμοιο φαινότυπο ανάπτυξης με τα rdnwt. Είναι αξιοσημείωτο ότι τα διπλά μεταλλάγματα com1rdn2 και com6rdn2 παρουσίασαν μικρότερο χρόνο διπλασιασμού από τα κύτταρα rdnwt. Όσον αφορά στη μεταφραστική ακρίβεια, το μετάλλαγμα com1 παρουσίασε 1,5 φορά αύξηση στο ρυθμό λανθασμένης ενσωμάτωσης του αμινοξέος λευκίνη σε μία αυξανόμενη αλυσίδα πολυφαινυλαλανίνης κατά την in vitro μετάφραση ενός poly(U) εκμαγείου, σε σχέση με τα κύτταρα rdnwt. Αντίθετα, η μετάλλαξη rdn2 οδήγησε σε μεταφραστική υπερακρίβεια, αφού δεν βρέθηκε καμία ενσωμάτωση λανθασμένου αμινοξέος ανά 10.000 κωδικόνια mRNA. Το διπλό μετάλλαγμα com1rdn2 εμφάνισε παρόμοια επίπεδα μεταφραστικής ακρίβειας με κύτταρα rdnwt. Έτσι, οι μεταλλάξεις com1 και rdn2 επηρρεάζουν τη μεταφραστική ακρίβεια σε ίσο βαθμό, αλλά προς αντίθετες κατευθύνσεις. Το άλλο διπλό μετάλλαγμα της παρούσης μελέτης com6rdn2 παρουσίασε επίσης παρόμοια επίπεδα μεταφραστικής ακρίβειας με το rdnwt, αποκαλύπτοντας έτσι πως η μετάλλαξη com6 οδηγεί επίσης σε μείωση της μεταφραστικής πιστότητας. Τα αποτελέσματα αυτά υποδηλώνουν ότι το αντίκτυπο των μεταλλάξεων com1, com6 και rdn2 στην ακρίβεια της μετάφρασης είναι ανεξάρτητο και προσθετικό και όχι συνεργιστικό. Επιπρόσθετη επιβεβαίωση προήλθε με την in vitro μετάφραση εκμαγείων poly(U) παρουσία παρομομυκίνης (PM), ενός αμινογλυκοζιτικού αντιβιοτικού γνωστού για την αύξηση της ενσωμάτωσης λανθασμένων αμινοξέων στην αυξανόμενη πολυπεπτιδική αλυσίδα τόσο στα προκαρυωτικά, όσο και στα ευκαρυωτικά κύτταρα. Το στέλεχος com1 παρουσίασε 3 φορές αύξηση στη συχνότητα λάθους κατά τη μετάφραση σε σχέση με το rdnwt, επιβεβαιώνοντας το χαρακτηρισμό του ώς επιρρεπές σε λάθη μετάλλαγμα. Αντίθετα, το στέλεχος rdn2 εμφάνισε μισή περίπου συχνότητα λαθών κατά τη μετάφραση σε σχέση με τα κύτταρα rdnwt, σε συμφωνία με το προηγούμενο χαρακτηρισμό του ως υπερακριβές μετάλλαγμα. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώθηκαν περαιτέρω με in vivo μελέτες ανθεκτικότητας έναντι της PM τόσο σε υγρές όσο και σε στερεές καλλιέργειες (τρυβλία petri). Το μετάλλαγμα com1 βρέθηκε το πιο ευαίσθητο όλων, αφού το 50% αναστολής της ανάπτυξής του παρατηρήθηκε σε μόλις 5 μΜ PM σε σχέση με τα 75 μΜ για το στέλεχος rdnwt. Αντίθετα, η τιμή IC50 της PM για το rdn2μετάλλαγμα βρέθηκε ίσο προς 500 μΜ. Το διπλό μετάλλαγμα com1rdn2 παρουσίασε παρόμοια επίπεδα ευαισθησίας στην PM με rdnwt, ενώ το άλλο διπλό μετάλλαγμα com6rdn2 αποδείχθηκε ως πιο ανθεκτικό (IC50 = 125 μΜ), υποδηλώνοντας ότι η com6 πρέπει να είναι λιγότερο επιρρεπής σε λάθη σε σχέση με την com1 μετάλλαξη. Πειράματα in vivo ανθεκτικότητας στην PM (σε τρυβλία petri) επιβεβαίωσαν τα επίπεδα ευαισθησίας που αποκαλύφθηκαν με τις υγρές καλλιέργειες. Η μελέτη των μεταλλάξεων αυτών ολοκληρώθηκε με πειράματα πρόσδεσης στις θέσεις A και P του ριβοσώματος. Οι μεταλλάξεις που μειώνουν την μεταφραστική πιστότητα οδηγούν και σε αύξηση της ικανότητας πρόσδεσης μορίων αμινο-ακυλο tRNA (aa-tRNA) στη θέση Α του ριβοσώματος, ενώ αντίθετα οι μεταλλάξεις που αυξάνουν την ακρίβεια της μετάφρασης συνοδεύονται και από μείωση της ικανότητας πρόσδεσης aa-tRNAs στη θέση Α του ριβοσώματος. Με τέτοιες μελέτες βρέθηκε ότι η μετάλλαξη com1 οδήγησε σε αύξηση της ικανότητας πρόσδεσης στη θέση Α, αντίθετα με την rdn2, όπου διαπιστώθηκε ακόμη μικρότερη ικανότητα πρόσδεσης και σε σχέση με τα ριβοσώματα αγρίου τύπου. Τα διπλά μεταλλάγματα έδειξαν λίγο μεγαλύτερη ικανότητα πρόσδεσης σε σχέση με αυτά του αγρίου τύπου. Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαίωσαν το χαρακτηρισμό των com1 και com6 ως μεταλλάξεις μείωσης της μεταφραστικής ακρίβειας σε αντίθεση με τη μετάλλαξη rdn2, η οποία οδηγεί σε υπερακρίβεια. Όσον αφορά στην ικανότητα πρόσδεσης aa-tRNAs στη θέση P του ριβοσώματος σε σχέση με τα ριβοσώματα αγρίου τύπου (rdnwt), αυτή βρέθηκε μεγαλύτερη στην περίπτωση της com1 μετάλλαξης και μικρότερη στην περίπτωση της rdn2 μετάλλαξης, υποδηλώνοντας ότι η com1 οδηγεί σε μεγαλύτερο ρυθμό πρωτεϊνοσύνθεσης σε σχέση με την υπερακριβή rdn2 μετάλλαξη. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας διερευνήσαμε σε συνεργασία με το Εργαστήριο Βιοχημείας του κ. Χρήστου Γεωργίου (Τμήμα Βιολογίας, Παν. Πατρών), για το άν υπάρχει κάποια συσχέτιση μεταξύ της μεταφραστικής πιστότητας και του οξειδωτικού στρες στα ευκαρυωτικά κύτταρα. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήσαμε δύο καλά μελετημένα μεταλλαγμένα στελέχη S. cerevisiae στο Εργαστήριό μας με αντίθετες επιπτώσεις στη μεταφραστική ακρίβεια. Αυτά ήταν το sup45 μετάλλαγμα (επιρρεπές σε λάθη με συχνότητα λάνθασμένης ενσωμάτωσης αμινοξεών ίση προς 0,0166) καθώς και το τριπλό μετάλλαγμα sup45rdn4rdn6 (συχνότητα λάθους: 0,0057), στο οποίο γίνεται η επαναφορά της μεταφραστικής ακρίβειας στα επίπεδα των μορίων αγρίου τύπου (0,0036). Οι μεταλλάξεις rdn4 και rdn6 αφορούν στην έλικα 27 του 18S rRNA, ενώ η μετάλλαξη sup45 πρόκειται για μία κατασταλτική μετάλλαξη στο γονίδιο που κωδικοποιεί για τον πράγοντα τερματισμού της πρωτεϊνοσύνθεσης eRF-1. Οι οξειδωτικοί δείκτες που μετρήθηκαν ήταν η μαλονική διαλδεϋδη (MDA: κύριο προϊόν υπεροξείδωσης λιπιδίων), η οξειδωμένη γλουταθειόνη (GSSG), οξειδωμένα μη πρωτεϊνικά μόρια (NPSSR), καθώς και οξειδωμένα πρωτεϊνικά μόρια (PSSP). Οι αντιοξειδωτικοί δείκτες που μετρήθηκαν ήταν τα ανηγμένα πρωτεϊνικά μόρια που φέρουν ελεύθερες σουλφυδρυλομάδες (PSH), καθώς και το κλάσμα PSH/PSSP μέσα στα κυτταρικά εκχυλίσματα. Εν συντομία, το επιρρεπές σε λάθη κατα τη μετάφραση μετάλλαγμα sup45 μείωσε τα επίπεδα των οξειδωτικών δεικτών σε αντίθεση με το πιο ακριβές τριπλό μετάλλαγμα sup45rdn4rdn6, στο οποίο παρατηρήθηκε αύξηση των δεικτών αυτών. Περαιτέρω επιβεβαίωση των αποτελεσμάτων αυτών προήλθε με την χρήση παρομομυκίνης κατά την ανάπτυξη των στελεχών αυτών (μειώνει τη μεταφραστική πιστότητα) και τη διεξαγωγή των μετρήσεων αυτών των δεικτών οξειδωτικού στρες εκ νέου. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων με χρήση PM έδειξαν στις περισσότερες περιπτώσεις σημαντική μείωση των επιπέδων οξειδωτικού στρες. Εν κατακλείδι, τα αποτελέσματα του δεύτερου μέρους της Μεταπτυχιακής αυτής Διατριβής υποδηλώνουν ότι στα ευκαρυωτικά κύτταρα η μείωση της μεταφραστικής πιστότητας οδηγεί σε μείωση του οξειδωτικού στρες σε αυτά και το αντίστροφο. / The ribosomal RNA (rRNA) plays a key role in the process of the accurate decoding of genetic information. According to recently derived high-resolution crystal structures of the prokaryotic small ribosomal subunit, the decoding site is mainly composed of RNA, including helices 18 and 34 as well as adenines A1492 and A1493 of helix 44 of the 16S rRNA. Furthermore, the role of ribosomal RNA in the accurate decoding of genetic information has been largely uncovered by suppressor or antisuppressor mutations that increase or decrease misreading respectively. Many of these mutations are in 16S rRNA of Escherichia coli. Among these are C310G in helix 12, G1206C in helix 34 and G517A in helix 18. In the first part of this study we examined the function of the corresponding mutations com1 (C310G), com6 (G1206C) and rdn2 (G517A) in 18S rRNA of Saccharomyces cerevisiae. Yeast cells were transformed with wild-type or mutant rDNA plasmids carrying the afore-mentioned site-directed mutations. The strains examined were the wild-type (rdnwt), mutants rdn2, com1 and the double mutants com1rdn2 and com6rdn2. The properties of mutation com6 were only deduced from the double mutant com6rdn2, since mutation com6 was not available individually. The mutants were first constructed in Prof. Susan Liebman’s laboratory at the University of Illinois at Chicago, USA. Strains com1 were viable but exhibited an extraordinary slow growth phenotype as they displayed a 3-fold increase of their doubling time over the rdnwt. On the other hand, rdn2 mutants displayed a growth phenotype similar to that of rdnwt cells. Interestingly, the double mutants com1rdn2 and com6rdn2 abolished the slow growth phenotype and grew faster than rdnwt. Regarding translational accuracy, com1 mutant displayed a 1.5-fold increase of the rate of misincorporation of the nearcognate amino acid leucine in a growing polyphenylalanine chain with poly(U) as template over rdnwt. In contrast, mutation rdn2 displayed impressive hyperaccuracy as it was found that none nearcognate aminoacid is added in 10.000 mRNA codons. Moreover, the double mutant com1rdn2 exhibited misreading levels similar to those of the rdnwt. Thus, com1 and rdn2 affect the decoding process to an equal degree but in reverse ways. The other double mutant under study, com6rdn2 also displayed an error frequency similar to that of rdnwt revealing that com6 is an error-prone mutation as well. These results imply that the effects of mutations com1, com6 and rdn2 on translational accuracy are independent and additive rather than synergistic. Additional confirmation came by in vitro translation of poly(U) templates in the presence of paromomycin (PM), which is an aninoglycoside antibiotic known to induce suppression of the genetic code. Strain com1 displayed a 3-fold increase of error frequency over rdnwt, confirming its characterization as an error-prone mutant. In contrast, rdn2 displayed an error frequency about half of that observed for the rdnwt, compatible with its characterization as a hyperaccurate mutant. The previous results were confirmed by in vivo resistance studies toward PM in liquid cultures and on Petri plates. Mutant com1 was the most sensitive of all, as 50% inhibition of its growth was observed at only 5 μΜ PM compared to 75 μΜ for rdnwt. In contrast, the IC50 value of PM for the rdn2 mutant was 500 μΜ. The double mutant com1rdn2 exhibited a resistance to PM similar to rdnwt, and the other double mutant com6rdn2 was more resistant (IC50 = 125 μΜ), implying that com6 should be a less error-prone mutation than com1. In vivo resistance to PM (on petri dishes) confirmed the sensitivity levels found in liquid cultures. The study of these mutations was completed by A- and P-site binding experiments. An increase in A-site binding of aa-tRNA may arise from a higher affinity to accept noncognate tRNAs and is related to error-prone mutations, whereas a decrease is related to error-restrictive mutations. Binding of Phe-tRNA to A-site of com1 mutants was much higher than in rdnwt. In contrast, binding to A-site of rdn2 was much lower than in rdnwt. Finally, the double mutants showed an A-site binding capacity slightly higher than the wild-type. These results confirmed that com1 and com6 are error-prone mutations, whereas rdn2 an error-restrictive mutation. With regards to P-site, com1 displayed a higher binding capacity and rdn2 a lower binding capacity compared to wild-type, indicating that com1 may have a higher protein synthesis activity than rdn2. In the second part of this study, we (in cooperation with Dr Christos Georgiou’s lab; Dept. of Biology, University of Patras) investigated whether any correlation between the translational fidelity and oxidative stress exists in eukaryotic cells. We used mutants already studied in our lab for their effects on translational fidelity and other aspects of protein synthesis. These were the sup45 mutant encoding the eRF-1 release factor and the triple mutant sup45rdn4rdn6 which carries, in addition to sup45, mutations rdn4 and rdn6 in helix 27 of the 18S rRNA. Mutant sup45 is error-prone (E.F. = 0.0166), while rdn4, rdn6 are both error-restrictive. The triple mutant sup45rdn4rdn6 diplays an error frequency of 0.0057, equal to the sum of the error frequencies of the individual mutations. The error frequency of the rdnwt is 0.0036. The oxidative markers measured were malondialdehyde (MDA, the main product of lipid peroxidation), oxidized glutathione (GSSG), oxidized non protein molecules (NPSSR), and oxidized protein molecules (PSSP). On the other hand, the antioxidative markers measured were t reduced protein molecules carrying –SH groups (PSH), as well as the ratio PSH/PSSP in the cell. In brief, the error-prone mutant sup45 was shown to decrease the concentrations of the various oxidative markers, while the comparatively error-restrictive triple mutant sup45rdn4rdn6 was shown to increase them. To further test the hypothesis that the oxidative status of a yeast cell may be related to the level of translational accuracy, we repeated the above experiments using PM. Our results with PM showed in most cases a decrease in the concentrations of the various oxidative markers. This is compatible with the notion that an increase in translational errors causes a decrease in oxidative stress and vice versa.

Le ribosome est un complexe cellulaire impliqué dans la catalyse et la coordination des différentes étapes de la traduction de l’information génétique, des ARN messagers aux protéines. Avec une masse moléculaire avoisinant 3.3 méga daltons, le ribosome eucaryote est 40% plus volumineux que son homologue bactérien. Le premier volet de la thèse présente la structure cristallographique du ribosome eucaryote 80S de levure à haute résolution. Cette structure constitue une base solide pour l’étude de la synthèse des protéines chez les eucaryotes ainsi que pour le développement de nouveaux composés thérapeutiques. Le deuxième volet est consacré aux structures cristallographiques de deux familles d’inhibiteurs spécifiques des eucaryotes, les glutarimides et les trichothecenes, en complexe avec le ribosome. Ces inhibiteurs constituent de nouveaux outils pour sonder les fonctions du ribosome et contribueront aux développements de composés par des approches de structure‐based drug design. / The ribosome is large cellular machinery that catalyzes and coordinates every step required to translate the genetic information encoded in messenger RNAs into proteins. With a molecular weight of 3.3 mega daltons, the eukaryotic ribosome is 40% larger compared to its bacterial counterpart. The fist axis of thesis presents the crystal structure of the complete eukaryotic 80S ribosome from yeast at high resolution. This structure constitutes a unique framework for future investigations of protein synthesis in eukaryotes and development of new therapeutic agents. The second axis of the thesis presents the crystal structures of two distinct families of eukaryote‐specific inhibitors, the glutarimides and the trichothecenes, bound the eukaryotic ribosome. These inhibitors constitute new tools to probe the ribosome functions and a starting point for future structure‐based drug design.