Halle, Wittenberg, Univ., Diss., 2002. / Computerdatei im Fernzugriff.

Halle, Wittenberg, Univ., Diss., 2002. / Computerdatei im Fernzugriff.

Halle, Wittenberg, Universiẗat, Diss., 2002.

Polyadenylation of pre-mRNAs is critical for efficient nuclear export, stability, and translation of the mature mRNAs, and thus for gene expression. The bulk of pre-mRNAs are processed by canonical nuclear poly(A) polymerase (PAPS). Both vertebrate and higher-plant genomes encode more than one isoform of this enzyme, and these are coexpressed in different tissues. However, in neither case is it known whether the isoforms fulfill different functions or polyadenylate distinct subsets of pre-mRNAs. This thesis shows that the three canonical nuclear PAPS isoforms in Arabidopsis are functionally specialized owing to their evolutionarily divergent C-terminal domains. A moderate loss-of-function mutant in PAPS1 leads to increase in floral organ size, whereas leaf size is reduced. A strong loss-of-function mutation causes a male gametophytic defect, whereas a weak allele leads to reduced leaf growth. By contrast, plants lacking both PAPS2 and PAPS4 function are viable with wild-type leaf growth. Polyadenylation of SMALL AUXIN UP RNA (SAUR) mRNAs depends specifically on PAPS1 function. The resulting reduction in SAUR activity in paps1 mutants contributes to their reduced leaf growth, providing a causal link between polyadenylation of specific pre-mRNAs by a particular PAPS isoform and plant growth. Additionally, opposite effects of PAPS1 on leaf and flower growth reflect the different identities of these organs. The overgrowth of paps1 mutant petals is due to increased recruitment of founder cells into early organ primordia whereas the reduced leaf size is due to an ectopic pathogen response. This constitutive immune response leads to increased resistance to the biotrophic oomycete Hyaloperonospora arabidopsidis and reflects activation of the salicylic acid-independent signalling pathway downstream of ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY1 (EDS1)/PHYTOALEXIN DEFICIENT4 (PAD4). Immune responses are accompanied by intracellular redox changes. Consistent with this, the redox-status of the chloroplast is altered in paps1-1 mutants. The molecular effects of the paps1-1 mutation were analysed using an RNA sequencing approach that distinguishes between long- and short tailed mRNA. The results shown here suggest the existence of an additional layer of regulation in plants and possibly vertebrate gene expression, whereby the relative activities of canonical nuclear PAPS isoforms control de novo synthesized poly(A) tail length and hence expression of specific subsets of mRNAs. / Polyadenylierung von prä-mRNAs ist entscheidend für den Export aus dem Zellkern, die Stabilität und die Translation der reifen mRNAs und dadurch für die Genexpression. Der Großteil der mRNAs wird durch sogenannte canonische Poly(A) Polymerasen (cPAPS) prozessiert. Die Genome von sowohl Wirbeltieren als auch Pflanzen kodieren mehr als eine Isoform dieser Enzyme, welche gleichzeitig in verschiedenen Geweben exprimiert werden. Es ist jedoch kein Beispiel bekannt, das zeigt, ob die verschiedenen Isoformen unterschiedliche Funktionen einnehmen bzw. verschiedene Untergruppen von mRNAs polyadenylieren. Diese Arbeit zeigt, dass drei canonische PAPS Isoformen in Arabidopsis thaliana aufgrund ihrer evolutionär unterschiedlichen C-terminalen Domänen spezialisierte Funktionen haben. Eine schwache Verlust-Mutation im PAPS1 Gen bewirkt eine Vergrößerung der Blütenorgane, während die Blattgröße vermindert ist. Eine starke Verlust-Mutation bewirkt zusätzlich einen Defekt der männlichen Keimzellen. Im Gegenzug dazu sind Mutanten des PAPS2 oder PAPS4 Gens gesund und zeigen ein normales Wachstum. Polyadenylierung von SMALL AUXIN UP RNA (SAUR) mRNAs hängt spezifisch von der Funktion von PAPS1 ab. Die daraus entstehende Reduzierung der SAUR Aktivität in den paps1 Mutanten trägt zur Verringerung der Blattgröße bei und stellt eine kausale Verbindung zwischen Polyadenylierung spezifischer mRNAs durch bestimmte PAPS Isoformen und Pflanzenwachstum dar. Zusätzlich spiegeln die unterschiedlichen Effekte von PAPS1 auf Blüten und Blätter die Identitäten dieser Organe wieder. Das übermäßige Wachstum der mutanten Petalen beruht auf einer erhöhten Anzahl an Gründer-Zellen im frühen Primordium, wohingegen die verminderte Blattgröße auf eine ektopische Pathogen Antwort zurückzuführen ist. Diese konstitutive Immunantwort bewirkt eine erhöhte Resistenz der Mutanten gegenüber dem biotrophen Oomyceten Hyaloperonospora arabidopsidis und reflektiert die Aktivierung des Salizylsäure unabhängigen Signalweges von ENHANCED DISEASE SUSCEPTIBILITY1 (EDS1)/PHYTOALEXIN DEFICIENT4 (PAD4). Immunantworten sind von Veränderungen des intrazellulären Redoxpotenzials gekennzeichnet. Damit übereinstimmend zeigen die Chloroplasten der paps1-1 Mutanten ein verändertes Redoxpotenzial. Zur genaueren Aufklärung der molekularen Effekte der paps1 1 mutation wurde eine RNA-Sequenzierungsmethode verwendet, die zwischen mRNAs mit langem oder kurzem Poly(A) Schwanz unterscheidet. Die Aktivitäten der verschiedenen canonischen PAPS Isoformen kontrollieren die Länge des neu synthetisierten poly(A) Schwanzes und damit die Expression spezifischer Untergruppen von mRNAs. Dadurch lassen die hier gezeigten Ergebnisse eine weitere Ebene der Genregulierung in Pflanzen, und möglicherweise auch in anderen Eukaryoten, vermuten.

mRNA is co- or post-transcriptionally processed from a precursor mRNA to a mature mRNA. In addition to 5'capping and splicing, these modifications also include polyadenylation, the addition of a polyA tail to the 3'end of the mRNA. In recent years, alternative polyadenylation in particular has increasingly been taken into account as a mechanism for regulating gene expression. It is assumed that approximately 70-75 % of human protein coding genes contain alternative polyadenylation signals, which are often located within intronic sequences of protein-coding genes. The use of such polyadenylation signals leads to shortened mRNA transcripts and thus to the generation of C-terminal shortened protein isoforms. Interestingly, the majority of microRNAs, small non-coding RNAs that play an essential role in post-transcriptional gene regulation, are also encoded in intronic sequences of protein-coding genes and are co-transcriptionally expressed with their host genes. The biogenesis of microRNA has been well studied and is well known, but mechanisms that may influence the expression regulation of mature microRNAs are just poorly understood. In the presented work, I aimed to investigate the influence of alternative intronic polyadenylation on the biogenesis of microRNAs. The human ion channel TRPM1 could already be associated with melanoma pathogenesis and truncated isoforms of this protein have already been described in literature. In addition, TRPM1 harbors a microRNA, miR211, in its sixth intron, which is assumed to act as a tumor suppressor. Since both, TRPM1 and miR211 have already been associated with melanoma pathogenesis, the shift towards truncated transcripts during the development of various cancers is already known and it has been shown that certain microRNAs play a crucial role in the development and progression of melanoma, melanoma cell lines were used as an in vitro model for these investigations. / Das Melanom, auch als schwarzer Hautkrebs bekannt, ist einer der gefährlichsten und aggressivsten Hautkrebsarten welcher aus den pigmentgebenden Zellen, den sogenannten Melanozyten, entsteht. Hauptursache dieser malignen Erkrankung ist eine starke und wiederkehrende UV-Belastung, häufig einhergehend mit Sonnenbränden, aber auch genetische Veranlagungen oder das Vorhandensein vieler Leberflecke kann das Risiko einer Melanomerkrankung erhöhen. Weltweit ist in den letzten Jahren ein starker Anstieg an jährlichen Neuerkrankungen zu beobachten. Wird das Melanom frühzeitig erkannt ist die operative Entfernung die wichtigste und effektivste Behandlungsmethode. Hat das Melanom jedoch bereits angefangen in weit entfernte Lymphknoten und in andere Organe zu streuen und Metastasen zu bilden, sinkt die 5-Jahres Überlebensrate drastisch ab. Immuntherapien mit Checkpoint-Inhibitoren, Chemotherapie oder Bestrahlung helfen dann häufig nur noch bedingt. Es ist bereits bekannt, dass TRPM1, ein Kalzium-permeabler Ionenkanal, an der Entstehung eines Melanoms beteiligt sein kann und dessen Expression invers mit der Aggressivität eines Melanoms korreliert. Interessanterweise wurden verkürzte Isoformen dieses Proteins in der Literatur beschrieben, ein Mechanismus wie diese generiert werden wurde bisher jedoch noch nicht untersucht. Ebenfalls nennenswert ist eine im sechsten Intron von TRPM1 codierte microRNA, miR211. In Melanomzellen und Melanom Patientenproben wurde bereits eine verminderte Expression dieser microRNA gezeigt. Messenger RNA (mRNA) wird von einer Vorläuferform (prä-mRNA) zu einer reifen mRNA co- oder posttranskriptionell prozessiert. Zu diesen Modifikationen gehört neben dem 5’Capping und dem Spleißen auch die Polyadenylierung, das Anbringen eines polyA Schwanzes an das 3‘Ende der mRNA. Dieser polyA Schwanz ist essentiell für den Transport der mRNA aus dem Nukleus in das Zytosol, für die Stabilität der mRNA sowie für die Effizienz der Translation. Besonders die alternative Polyadenylierung wurde in den letzten Jahren vermehrt als Mechanismus zur Regulation der Genexpression berücksichtigt. Es wird angenommen, dass etwa 70-75 % der humanen proteincodierenden Gene alternative Polyadenylierungssignale enthalten. Häufig liegen diese in intronischen Sequenzen proteincodierender Gene. Die Verwendung solcher Polyadenylierungssignale führt zu verkürzten mRNA Transkripten und somit zur Generierung C-terminal verkürzter, und im Falle von Transmembranproteinen oft löslichen, Protein Isoformen. Für diverse Krebsarten konnte bereits gezeigt werden, dass es eine Verlagerung hin zu 3’UTR verkürzten mRNA Transkripten gibt oder es im speziellen Fall der chronisch lymphatischen Leukämie zu einem globalen Trend in der Aktivierung intronischer Polyadenylierungssignale kommt. Interessanterweise ist die Mehrheit an microRNAs, kleine nicht codierenden RNAs, die eine essentielle Rolle in der post-transkriptionellen Genregulation spielen, ebenfalls in intronischen Sequenzen proteincodierender Gene codiert und werden co-transkriptionell mit ihren Wirtsgenen exprimiert. Die Biogenese der microRNA ist bereits sehr gut untersucht und bekannt, die Mechanismen hingegen, die einen Einfluss auf die Expressionsregulation reifer microRNAs haben können sind nur sehr wenig untersucht. Durch vorangegangene Studien konnte bereits gezeigt werden, dass die U1 snRNA (U1 small nuclear RNA), neben ihrer initiierenden Rolle in der Spleißreaktion durch das Binden an 5‘ Spleißstellen, auch aktiv die Verwendung intronischer Polyadenylierungssignale unterdrücken kann und dadurch frühzeitiges Schneiden und Polyadenylieren der mRNA verhindert. Die Blockierung oder ein geringeres Level an U1 snRNA führt nicht nur zu einer verminderten Spleißreaktion, sondern auch zu einer vermehrten Aktivierung intronischer Polyadenylierungssignale. Ob diese Aktivierung jedoch auch einen Einfluss auf die Expression intronischer microRNAs haben kann, wurde bisher nicht untersucht. In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss von alternativer intronischer Polyadenylierung auf die Biogenese von microRNAs untersucht werden. Der humane Ionenkanal TRPM1 konnte bereits mit der Pathogenese des Melanoms assoziiert werden und verkürzte Isoformen dieses Proteins wurden bereits in der Literatur beschrieben. Darüber hinaus beherbergt TRPM1 in seinem sechsten Intron eine microRNA, miR211, von der angenommen wird, dass sie als Tumorsuppressor agiert. Aus diesen Gründen war TRPM1 ein vielversprechendes Ziel die gegenseitige Verbindung zwischen alternativer intronischer Polyadenylierung und der Biogenese von microRNAs zu untersuchen. Da sowohl TRPM1 als auch miR211 bereits mit der Pathogenese des Melanoms assoziiert wurden, die Verlagerung hin zu verkürzten Transkripten während der Entstehung von unterschiedlichen Krebsarten bereits bekannt ist, und gezeigt werden konnte, dass diverse microRNAs eine entscheidende Rolle in der Entstehung und Progression des Melanoms spielen, wurden Melanomzelllinien als in vitro Modell für diese Untersuchungen verwenden. Durch 3’mRNA Sequenzierung von Melanomzelllinien und weitere molekularbiologische Analysen konnten zwei verkürzte Isoformen von TRPM1 identifizieren werden, welche durch Aktivierung alternativer Polyadenylierungssignale in Intron 3 oder Intron 10 generiert werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass in Melanomzelllinien im Vergleich zu einer Melanozyten Kontrollzelllinie, TRPM1 nicht nur vermindert exprimiert wird, sondern auch eine Verlagerung hin zu den verkürzten Isoformen, im Speziellen zur TRPM1 intron 3 Isoform, vorliegt. Durch Modulierung der Expression der unterschiedlichen TRPM1 Isoformen mittels Antisense-Oligonukleotide konnte gezeigt werden, dass speziell die Aktivierung des alternativen Polyadenylierungssignals in Intron 3 einen Einfluss auf die Biogenese der nachfolgend codierten intronischen miR211 hat, mit der Folge eines verringerten Expressionslevels. Zudem konnte eine U1 snRNA abhängige Verbindung zwischen frühzeitiger mRNA Transkriptions-Termination für TRPM1 und der Biogenese von miR211 in Melanomzelllinien gezeigt werden. Darüber hinaus wurde eine verminderte Expression der U1 snRNA in Melanomzelllinien im Vergleich zu einer Melanozyten Kontrollzelllinie gezeigt. Das Expressionslevel der U1 snRNA in Tumorgeweben oder auch anderen Krankheitsbildern im Vergleich zu gesundem Gewebe wurde bisher nur sehr wenig untersucht. Die verminderte Expression an U1 snRNA ist eine mögliche Erklärung für die Verlagerung hin zu verkürzten mRNA Transkripten während der Pathogenese und stellt somit einen vielversprechenden Ansatz für weitere Untersuchungen dar. Der in dieser Arbeit beschriebene Mechanismus zeigt eine neue, bisher nicht berücksichtigte Ebene zur Regulierung der Expression reifer microRNAs über die Aktivierung intronischer Polyadenylierungssignale. Die Möglichkeit, die Expression von mRNA Isoformen eines microRNA Wirtsgenes durch Antisense-Oligonukleotide spezifisch zu modulieren und damit zielgerichtet die Expression nachfolgend codierter microRNAs steuern zu können, bietet einen neuartigen und gezielten therapeutischen Ansatz. Dieser gezielte therapeutische Ansatz kann von TRPM1/miR211 im Melanom auch auf andere microRNA-Wirtsgene und deren intronische microRNAs übertragen werden, die mit der Entstehung von Krankheiten in Verbindung gebracht werden können.