No / The hTREX complex mediates cellular bulk mRNA nuclear export by recruiting the nuclear export factor, TAP, via a direct interaction with the export adaptor, Aly. Intriguingly however, depletion of Aly only leads to a modest reduction in cellular mRNA nuclear export, suggesting the existence of additional mRNA nuclear export adaptor proteins. In order to efficiently export Kaposi's sarcoma-associated herpesvirus (KSHV) intronless mRNAs from the nucleus, the KSHV ORF57 protein recruits hTREX onto viral intronless mRNAs allowing access to the TAP-mediated export pathway. Similarly however, depletion of Aly only leads to a modest reduction in the nuclear export of KSHV intronless mRNAs. Herein, we identify a novel interaction between ORF57 and the cellular protein, UIF. We provide the first evidence that the ORF57-UIF interaction enables the recruitment of hTREX and TAP to KSHV intronless mRNAs in Aly-depleted cells. Strikingly, depletion of both Aly and UIF inhibits the formation of an ORF57-mediated nuclear export competent ribonucleoprotein particle and consequently prevents ORF57-mediated mRNA nuclear export and KSHV protein production. Importantly, these findings highlight that redundancy exists in the eukaryotic system for certain hTREX components involved in the mRNA nuclear export of intronless KSHV mRNAs.

RNA-bindande proteiner (RBP:er) har framträtt som kritiska regulatorer i post-transkriptionell genreglering, och deras dysreglering bidrar till cancerpatogenes. CAPRIN1, ett cytoplasmiskt protein, har identifierats som ett onkofetalt RBP med potentiell betydelse i hepatocellulärt karcinom (HCC), en mycket malign form av levercancer med dålig prognos. Detta examensarbete syftade till att använda gensredigeringsteknologier som CRISPR-interferens (CRISPRi) och RNA-interferens (RNAi) för att störa CAPRIN1-uttryck i HCC-cellinjer och analysera dess effekter på cellproliferation och mängden av CAPRIN1:s främsta RNA-mål. CRISPRi-konstruktioner som riktade sig mot transkriptionsstartstället (TSS) av CAPRIN1 designades och validerades, men trots lyckad kloning och uttryck av guideRNA:er (gRNA:er) resulterade CRISPRi-medierad gensläckning (KD) inte i någon signifikant minskning av CAPRIN1-uttryck. Ineffektiviteten hos CRISPRi tillskrevs låg transfektionseffektivitet, vilket bekräftades av fluorescensmikroskopi med EGFP-expressande plasmider i HepG2- och Huh7-celler. Detta kräver ytterligare optimering av elektroporationsparametrar eller utforskning av alternativa leveransmetoder. I kontrast uppnådde RNAi-medierad KD en betydande minskning av CAPRIN1-uttryck, vilket visade hög KD-effektivitet (90%) enligt RT-qPCR. Denna nivå av gensläckning gav en robust modell för vidare analyser. Efterföljande RT-qPCR av sex topp-RNA-mål identifierade av RAPseq visade varierande svar, med oväntad uppreglering av MYC och Cyclin D2, vilket går emot litteratur som antyder att deras stabilitet beror på CAPRIN1. Denna diskrepans kan förklaras av betydande standardavvikelse i uttrycksnivåerna, vilket understryker behovet av att upprepa experimenten samt genomföra en transkriptomanalys med RNA-seq för att identifiera meningsfulla mål såsom långa icke-kodande RNA (lncRNA:er). Ytterligare, MTT-proliferationstester, visade ökad cellproliferation efter CAPRIN1-KD, även om experimentella inkonsekvenser såsom ojämna cellantal begränsade slutsatsernas pålitlighet. För att erhålla tillförlitliga resultat behöver dock MTT-testet upprepas för att säkerställa konsistens med den positiva kontrollen och samla in statistiskt signifikanta data.Sammanfattningsvis, trots att CRISPRi-försöket stötte på betydande utmaningar, kan gRNA-designen och klonade plasmider användas i framtida studier när elektroporationsprotokollet har optimerats. Dessutom visade den framgångsrika RNAi-medierade KD av CAPRIN1 en alternativ metod som kan antas för vidare studier med andra RBP-kandidater. Framtida studier bör syfta till att optimera elektroporationssystemet, validera KD på proteinnivå och använda RNA-seq för en omfattande analys av CAPRIN1:s inverkan på transkriptomet i HCC-cellinjer. Dessa ansträngningar kommer att förbättra förståelsen av CAPRIN1:s regulatoriska mekanismer och dess potential som terapeutiskt mål vid HCC. / RNA-binding proteins (RBPs) play a crucial role in post-transcriptional gene regulation, and their dysregulation is implicated in cancer pathogenesis. CAPRIN1, a cytoplasmic activation/proliferation-associated protein, identified as an oncofetal RBP with potential significance in hepatocellular carcinoma (HCC), is a worthy candidate to be studied. Objective: This project aimed to establish a protocol for silencing RBPs gene expression via CRISPR interference (CRISPRi) technology using CAPRIN1 as a case study, as the roles of CAPRIN1 in tumorigenesis remains unknown. Results: Despite successful cloning of the designed gRNAs, CRISPRi-mediated knockdown did not reduce CAPRIN1 expression, attributed to low transfection efficiency as indicated by fluorescence microscopy. RNAi-mediated knockdown, however, achieved substantial reduction in CAPRIN1 expression (90%). Subsequent analysis of CAPRIN1 top RNA interactors showed substantial standard deviations, highlighting the need for repeating the experiments. The MTT assay showed uneven initial seeding densities, necessitating further repetitions of the assay. Conclusions: The study highlights the challenges associated with CRISPi-mediated knockdown, especially in transfecting HepG2 cells with large plasmids using electroporation. However, the designed gRNAs and cloned plasmids have the potential to be used in future studies, provided that the transfection process is further optimized. RNAi proved to be an effective alternative for gene silencing, achieving high knockdown efficiency and enabling subsequent analysis of CAPRIN1 target RNAs. Prioritizing further optimization of CRISPRi transfection protocols in upcoming projects will facilitate the adoption of this workflow for investigating other RBP candidates. Additionally, performing a comprehensive RNA-seq analysis could provide a deeper understanding of CAPRIN1’s role in HCC.

In Chloroplasten durchlaufen primäre Transkripte eine großen Anzahl von bzw. Reifungsprozesse. Diese Ereignisse spielen eine wichtige Rolle bei der Regulation der Genexpression und sind im Wesentlichen durch Proteinfaktoren, insbesondere RNA-Bindeproteine, reguliert. Der plastidäre Spleißfaktor MatK zählt zu den prokaryotischen Gruppe-II-Intron. MatK aus Nicotiana tabacum interagiert mit seinem Heimatintron trnK und sechs weiteren Gruppe IIA Introns. In dieser Untersuchung, MatK-Bindestellen konnten unterschiedlichen Regionen der Gruppe-II-Introns zugewiesen werden mit RIP-seq in Nicotiana tabacum. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass MatK im Vergleich zu seinen bakteriellen Vorfahren an Vielseitigkeit in der RNA-Erkennung gewonnen hat. MatK zeigt somit beispielhaft, wie eine Maturase die Fähigkeit erworben haben könnte, in trans auf mehrere Introns zu wirken. Quantitative Untersuchung und mathematische Modellierung der Expression von MatK und dessen Zielen offenbart ein komplexes Muster möglicher regulatorischer Feedback-Mechanismen. In dieser Studie konnte ein möglicher Feedback- Mechanismus durch Analyse von polysomal gebundenen Transkripten ausgeschlossen werden. Stabile Bindung von Proteinen an spezifische RNA-Bindestellen und anschließender Abbau der ungeschützten RNA kann zu Akkumulation von kleinen RNAs (sRNAs) führen. Solche Footprints von RNA-Bindeproteinen wurden durch die Untersuchung von Datensätzen kleiner RNAs in Chlamydomonas reinhardtii identifiziert. Zwei der sRNAs entsprechen den 5'' Enden der reifen psbB und psbH mRNAs. Beide sRNAs sind abhängig von Mbb1, einem TPR (Tetratrico-peptide repeat) Protein. Die beiden sRNAs besitzen eine hohe Ähnlichkeit in ihrer Primärsequenz und fehlen in der mbb1 Mutante. Dies legt nahe, dass auch andere der hier identifizierten sRNAs an 5'' Enden plastidärer mRNAs Protein-Bindestellen repräsentieren, die für die korrekte RNA-Prozessierung und RNA-Stabilisierung in Chlamydomonas Chloroplasten erforderlich sind. / In chloroplasts, primary transcripts are subjected to a number of processing events. These events play important roles in the regulation of gene expression and are extensively controlled by protein factors, especially by RNA-binding proteins. Chloroplast splicing factor MatK is related to prokaryotic group II intron maturases. Nicotiana tabacum MatK interacts with its home intron trnK and six additional group IIA introns. In this study, binding sites of MatK were narrowed down to varying regions of its group II targets by RIP-seq in Nicotiana tabacum. The results obtained demonstrate that MatK has gained versatility in RNA recognition relative to its bacterial ancestors. MatK thus exemplifies how a maturase could have gained the ability to act in trans on multiple introns during the dispersion of the group II introns through the eukaryotic genome early in the eukaryote evolution. Quantitative investigation and mathematical modeling of the expression of MatK and its targets revealed a complex pattern of possible feedback regulatory interactions. In this study, one possible feedback regulation mechanism was ruled out by the analysis of polysome associated transcripts. Stable binding of proteins to specific RNA sites and subsequent degradation of the unprotected RNA regions can result in small RNA, footprint of the RNA binding protein. Such footprints were identified by examining small RNA datasets of Chlamydomonas reinhardtii. Two of the sRNAs correspond to the 5’ ends of mature psbB and psbH mRNAs. Both sRNAs are dependent on Mbb1, a nuclear-encoded TPR (Tetratrico-peptide repeat) protein. The two sRNAs have high similarity in primary sequence, and both are absent in the mbb1 mutant. This suggests that sRNAs at the 5’ ends of chloroplast mRNAs identified here generally represent the binding sites of proteins, which function in RNA processing and RNA stabilization in Chlamydomonas chloroplast.

Die chloroplastidäre Genexpression ist durch charakteristische posttranskriptionelle Ereignisse, wie RNA-Prozessierung, RNA-Stabilität, RNA-Edierung oder RNA-Spleißen gekennzeichnet. Diese Prozesse werden fast ausnahmslos durch kernkodierte Proteine realisiert. PPR-Proteine (Pentatricopeptid repeat) stellen unter diesen kernkodierten Faktoren die größte Proteinfamilie dar. Das plastidäre Protein P67 gehört zur kleinen Untergruppe der PPR-Proteine mit SMR-Domäne (small MutS-related), deren molekulare Funktion im organellären Nukleinsäuremetabolismus bislang unverstanden ist. P67 zeigt eine nahe Verwandtschaft zu GUN1, einem zentralen Bestandteil retrograder Signalwege. Der hier analysierte P67-Knockout in Mais verursacht hellgrüne Phänotypen, eine drastische Reduktion der plastidären ATPase und Keimlingsletalität, was die essentielle Beteiligung von P67 an den Prozessen der Chloroplastenbiogenese und der Expression der plastidär kodierten ATPase-Untereinheiten vermuten lässt. Mögliche Implikationen eines fehlenden Phänotyps von Mutanten des P67-Orthologs aus Arabidopsis thaliana werden diskutiert. Eine Ausnahmestellung unter den Proteinen des chloroplastidären RNA-Metabolismus nimmt der einzige plastidär kodierte RNA-Reifungsfaktor MatK ein. Die genomische Position des matK-Gens im Intron der trnK-UUU ist in allen grünen Landpflanzen konserviert. MatK ist mit bakteriellen Maturasen verwandt, die spezifisch den Spleißprozess ihres Heimatintrons unterstützen. Dagegen deuten genetische und phylogenetische Studien zusätzliche MatK-Funktionen in trans an. In der vorliegenden Arbeit wird die spezifische Interaktion von MatK mit sieben Gruppe-IIA-Intron enthaltenden Transkripten in vivo gezeigt. Darunter befinden sich vier tRNA-Vorläufer (trnK-UUU mit dem matK-Heimatintron sowie trnV-UAC, trnI-GAU, trnA-UGC) und drei proteinkodierende Vorläufertranskripte (rpl2, rps12, atpF). Die Feinkartierung der MatK-Bindung im trnK-Heimatintron zeigt eine Assoziation mit multiplen Regionen. Organelläre Gruppe-II-Introns gelten als Vorläufer der spleißosomalen Introns. Die Assoziation mit multiplen Gruppe-II-Introns macht MatK somit zu einem interessanten Modell für die Evolution der transaktiven Spleißaktivität im Kern. Analysen der Expression von MatK und seinen Zielen deuten auf ein komplexes Muster möglicher regulativer Interaktionen hin. / Chloroplast gene expression is characterized by posttranscriptional events including RNA cleavage, RNA stability, RNA editing, and RNA splicing. The underlying processing machinery is almost exclusively encoded in the nucleus. PPR proteins (pentatricopeptide repeat) form the biggest protein family among these factors and are major players of the aforementioned posttranscriptional processes. The plastidial protein P67 is a member of a small subgroup of PPR proteins with SMR domain (small MutS-related). Molecular functions of this protein family in organellar nucleic acid metabolism are yet unknown. P67 is a close relative of GUN1, an essential component of the chloroplast to nucleus retrograde signalling pathway. It is shown here that a P67 knockout in maize causes pale green phenotypes, a dramatic reduction in ATPase levels, and seedling lethality. This indicates an essential role of P67 for chloroplast biogenesis and expression of the plastid encoded ATPase. The finding that mutants of the P67-orthologe in Arabidopsis lack a phenotype is discussed against the background of physiological differences between maize and Arabidopsis. A special case among proteins involved in plastid RNA metabolism is MatK - the only plastid encoded RNA maturation factor. The genomic position of the matK gene in the trnK-UUU intron is conserved throughout autotrophic land plants. MatK is related to bacterial maturases - highly specific splice factors supporting splice processes of their respective home introns. There is, however, indirect genetic and phylogenetic evidence that MatK acts also in trans as a common plastidial splice factor serving various group II introns. This study shows that MatK interacts specifically with seven group IIA introns in vivo. Among them are four tRNA precursor transcripts (trnK-UUU including the matK home intron as well as trnV-UAC, trnI-GAU, trnA-UGC) and three protein-coding precursors (rpl2, rps12, atpF). Fine mapping of MatK binding sites within the trnK home intron uncovers protein RNA interactions with diverse intron regions. Organellar introns have been suggested as evolutionary ancestors of nuclear spliceosomal introns. Consequently, association of MatK with multiple group II intron ligands makes the plastidial maturase an attractive model for an early trans-acting nuclear splice activity. Analyses of the expression of MatK and its targets revealed a complex pattern of possible regulatory interactions.

Der Sekretionsweg ist essenziell für die Funktion von Zellen und beginnt, wenn mRNAs, die für Membran- und Sekretionsproteine codieren, an das endoplasmatische Retikulum (ER) gebracht werden. Allerdings ist wenig darüber bekannt, inwiefern RNA-bindende Proteine zur Erkennung und Translation von ER lokalisierten mRNAs beitragen. In dieser Arbeit haben wir das humane RNA-bindende Protein HDLBP charakterisiert. Wir haben durch PAR-CLIP-, Zellfraktionierungs- und RNA-Seqeuenzierexperimente festgestellt, dass HDLBP an mehr als 80% aller ER lokalisierten mRNAs bindet. Analysen zu HDLBPs Bindungsmotiv haben gezeigt, dass HDLBP vorwiegend an ein CU-haltiges Motiv in der codierenden Sequenz (CDS) hauptsächlich von ER lokalisierten mRNAs bindet. Im Gegensatz dazu enthalten zytosolische HDLBP gebundene mRNAs weniger Bindungsstellen und diese treten sowohl in der CDS als auch in 3‘ untranslatierten Regionen auf. Dies zeigt, dass sich ER lokalisierte mRNAs von Zytosol lokalisierten mRNAs in ihrer Sequenzzusammensetzung hinsichtlich der HDLBP Bindungsstellen unterscheiden. Weitere Analysen des PAR-CLIP-Experiments ergaben, dass HDLBP mit RNA-Komponenten des Signalerkennungspartikels (SRP) und der 40S ribosomalen Untereinheit interagiert. Durch BioID-Experimente haben wir Proteine in unmittelbarer Nähe zu HDLBP bestimmt und konnten damit die Assoziation von HDLBP mit Komponenten des Translationsapparates und des SRPs bestätigen. Funktionelle Studien, bei denen wir CRISPR-Cas9 erzeugte HDLBP Knockout (KO) Zelllinien in Kombination mit Ribosomen-Profiling verwendet haben, haben gezeigt, dass HDLBP die Translation von mRNAs fördert, die an HDLBP gebunden und am ER lokalisiert sind. Letztlich haben in vivo Experimente mit Nacktmäusen ergeben, dass HDLBP KO eine Abnahme der Lungentumorbildung verursacht, was die Relevanz von HDLBP für die Tumorprogression hervorhebt. Insgesamt zeigt unsere Arbeit eine generelle Funktion von HDLBP bei der Translation von ER lokalisierten mRNAs. / The secretory pathway is essential for proper cell functioning and starts when mRNAs encoding membrane and secretory proteins are targeted to the endoplasmic reticulum (ER). However, little is known about the contribution of RNA-binding proteins to the recognition, localization and translation of ER-localized mRNAs. In this work, we characterized the human RNA-binding protein HDLBP. We identified that HDLBP binds to more than 80% of all ER-localized mRNAs by PAR-CLIP, cell fractionation and RNA-sequencing experiments. Analysis of the HDLBP binding motif showed that it predominantly binds to a CU-containing motif and forms high affinity multivalent interactions primarily in the coding sequence (CDS) of ER-localized mRNAs. In contrast, we identified that cytosolic HDLBP mRNA targets show less HDLBP binding sites randomly distributed between the CDS or 3’ untranslated regions. This indicates that ER-localized mRNAs per se differ from cytosol-localized mRNAs in their sequence composition with regard to HDLBP binding sites. Further PAR-CLIP analysis revealed that HDLBP interacts with RNA components of the signal recognition particle (SRP) and the 40S ribosomal subunit. We identified by BioID experiments proteins in close proximity to HDLBP and confirmed the association of HDLBP with components of the translational apparatus and the SRP. Functional studies using CRISPR-Cas9 HDLBP knockout (KO) cell lines in combination with ribosome profiling demonstrated that HDLBP promotes the translation of its ER-localized target mRNAs. We validated this finding by pSILAC experiments and detected the corresponding decrease in protein synthesis of proteins encoded by mRNAs that are bound by HDLBP and ER-localized. Lastly, in vivo experiments with nude mice showed that HDLBP KO resulted in a decrease of lung tumor formation highlighting the relevance of HDLBP for tumor progression. Overall, these results demonstrate a general function for HDLBP in the translation of ER-localized mRNAs.

Die chloroplastidäre und mitochondriale Genexpression ist abhängig von einer großen Anzahl an RNA-Bindeproteinen (RBPs). Eine besonders abundante Familie sind die chloroplastidären Ribonukleoproteine (cpRNPs). Während Ziel-RNAs mehrerer cpRNPs und die Phänotypen entsprechender Mutanten beschrieben wurden, bleibt ihre molekulare Funktion weitgehend ungeklärt. In dieser Arbeit wurden Studien der cp29a Mutante durch genomweite Analysen erweitert. Diese legen nahe, dass die eigentliche Rolle von CP29A in phänotypisch erkennbarem Mutanten-Gewebe durch sekundäre Defekte maskiert wird. Um primäre Defekte zu identifizieren, wurden in vivo Bindestellen von CP29A mit einer neuen Chloroplasten-adaptierten Methode, die UV-Licht zur Quervernetzungen nutzt, bestimmt. Transkripte, die für Untereinheiten des Photosystem II und des Cytochrom-b6f-Komplexes kodieren, waren unter den Zielen von CP29A überrepräsentiert. Weiterhin wurden mehrere Bindestellen in Nachbarschaft zu Bindestellen von PPR-Proteinen identifiziert. Mit einer alternativen Methode, die chemische Quervernetzung nutzt, wurden Ziel-RNAs eines weiteren cpRNP, CP31A, identifiziert. Transkripte, die für Untereinheiten des NADH-Dehydrogenase Komplexes kodieren, waren überrepräsentiert. Diese Daten führten zu einer neuen Hypothese, die die Funktion von cpRNPs im Zusammenspiel mit PPR-Proteinen in der Prozessierung funktionell verwandter RNAs postuliert. Ein weiterer für die Genexpression relevanter Mechanismus ist die Bildung membranloser Kompartimente durch flüssig-flüssig Phasentrennung. Es wurde eine in silico Analyse durchgeführt, um organelläre Proteine mit Domänen, die auf flüssig-flüssig Phasentrennung hindeuten, zu identifizieren. Funktionen mit Bezug zu Genexpression, insbesondere RNA-Edierung, waren bei diesen Proteinen mit Prionen-ähnlichen Domänen (PLDs) überrepräsentiert. Zwei Kandidaten wurden auf ihre Neigung zur flüssig-flüssig Phasentrennung durch in vitro Experimente und in vivo Mikroskopie untersucht. / Gene expression in chloroplasts and mitochondria relies on a large number of RNA-binding proteins (RBPs), which are involved in the processing of polycistronic precursor transcripts. A particular abundant family are the chloroplast ribonucleoproteins (cpRNPs). While target RNAs and mutant phenotypes of several cpRNPs were described, insights on their molecular function remained sparse. In this thesis, analyses of cp29a mutants were extended by genome-wide transcriptome data, which suggest that in phenotypically noticeable mutant tissue the actual role of CP29A might be masked by secondary effects. To identify primary defects, in vivo binding sites of CP29A on its target transcripts were determined using a novel chloroplast-adapted approach using crosslinking by UV-light. Identified targets of CP29A are functionally enriched in mRNAs encoding subunits of the photosystem II and the cytochrome b6f complex. Moreover, several binding sites were identified in close proximity to characterized binding sites of PPR proteins. Using an alternative approach, employing chemical crosslinking, targets of another cpRNP, CP31A, were identified. Targets are enriched in genes encoding subunits of the NADH-like dehydrogenase complex. In combination, these data led to a novel hypothesis on the molecular function of cpRNPs working together with PPR proteins in the processing of functionally related RNAs. Another increasingly recognized mechanism in gene expression is the formation of membraneless organelles by liquid-liquid phase separation. An in silico screen for organellar proteins containing domains indicative of phase separation was performed. The identified set of proteins with prion-like domains (PLDs) is enriched in functions related to gene expression, particularly RNA-editing. Two selected candidate proteins were characterized for their propensity to undergo phase separation by in vitro phase separation assays and in vivo microscopy.

RNA-bindende Proteine spielen eine zentrale Rolle in der posttranskriptionellen Kontrolle von mRNAs, die zwischen Transkription und Abbau von mRNAs stattfindet. RNA-bindende Proteine beeinflussen Spleißen, Export, Stabilität, Lokalisierung und Translation von mRNAs. FUS, EWSR1 und TAF15 gehören zu der Familie der FET Proteine. Diese wirken an verschiedenen zellulären Prozessen wie Transkription, Spleißen und der Prozessierung von miRNAs mit. Translokationen und Mutationen der FET Proteine führen zu verschiedenen Krankheiten. FUS spielt eine Rolle bei den neurodegenerativen Krankheiten frontotemporale Lobärdegeneration (FTLD) und amyotrophe Lateralsklerose (ALS). In dieser Arbeit wurde die mithilfe von photoaktivierbaren Ribonukleotiden UV-Licht induzierte Quervernetzung und Immunpräzipitation (PAR-CLIP) Methode genutzt, um die RNA-Bindestellen von FUS, EWSR1 und TAF15, einer ALS-verursachenden FUS Mutante und einem anderen, mit ALS in Verbindung stehenden Protein, TARDBP, zu bestimmen. Die RNA-Bindestellen der FET-Proteine lagen größtenteils in Introns. Passend dazu konnte durch knockdown der FET Proteine eine Rolle von FUS und EWSR1 im Spleißen von mRNAs validiert werden. Dem Ubiquitin-Proteasom-System zugehörige RNAs waren unter den sowohl von FUS als auch TARDBP gebundenen mRNAs überrepräsentiert. Dies bestätigt die Annahme, dass Störungen in der Proteindegradation die ALS-Pathogenese beeinflussen. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass FUS und TAF15 bevorzugt UAC-reiche, einzelsträngige RNA-Sequenzen binden. Sequenzierung von mRNAs nach Depletion von FUS, EWSR1 und TAF15 in HEK293-Zellen zeigte einen stabilisierenden Effekt der FET-Proteine auf gebundene mRNAs. Desweiteren scheinen die FET Proteine durch Interaktion mit Promotor-assoziierten, nicht-kodierenden RNAs die Transkription zu beeinflussen. / Post-transcriptional regulation of gene expression takes place at multiple levels between transcription and decay of the mRNA. RNA-binding proteins play a key role in orchestrating splicing, export, stability, localization and translation of mRNAs. FUS, EWSR1 and TAF15 constitute the FET protein family which participates in multiple levels of cellular function. FET proteins have been implicated to function in various cellular processes including transcription, pre-mRNA splicing and miRNA processing. Translocations and mutations in FET proteins lead to diverse pathologies. FUS is involved in neurodegenerative diseases like frontotemporal lobar degeneration (FTLD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). In this study, Photoactivatable-Ribonucleoside-Enhanced Crosslinking and Immunoprecipitation (PAR-CLIP) was used to determine RNA-targets and binding sites of FUS, EWSR1 and TAF15, an ALS-causing FUS mutant and another ALS-related protein, TARDBP. The identified binding sites of FET proteins were mainly intronic, supporting the involvement of FUS and EWSR1 in splicing, which was validated by FET protein knockdown. Comparison of FUS and TARDBP RNA targets revealed that ubiquitin-proteasome related gene categories were overrepresented, further illustrating that aberrations in protein degradation are implicated in the pathogenesis of ALS. In addition, it was shown that FUS and TAF15 proteins preferentially bind UAC rich, single-stranded RNA sequences. mRNA sequencing after FUS, EWSR1 and TAF15 depletion in HEK293 cells revealed a stabilizing effect on their targets. Interestingly, FET proteins also seem to influence transcription by interaction with promoter-associated noncoding RNAs. In summary, we identified the RNA-targets and binding sites of all human FET proteins in comparison with an ALS-causing FUS mutant and TARDBP. Functional studies revealed an involvement of FET proteins in mRNA stabilization, splicing and transcriptional regulation.

Salmonella enterica gehört zu den gramnegativen Bakterien und ist der Erreger von verschiedenen Darmerkrankungen, von Gastroenteritis bis systemische Infektionen, und jährlich die Ursache für hunderttausende Todesfälle. In den letzten 30 Jahren wurden grundlegende Mechanismen der Invasion und des intrazellulären Wachstums von Salmonella gelöst: Salmonella verfügt über eine Reihe von Virulenzfaktoren (Effektorproteine), die mittels Typ-III-Sekretionssystemen (T3SS) zur molekularen Manipulation der Wirtszelle ausgeschüttet werden. Allerdings sind die Funktionen einiger dieser Effektorproteine nur unzureichend charakterisiert. Darüber hinaus hat die Rolle von RNA-Protein-Wechselwirkungen in bakteriellen Prozessen, einschließlich Infektionen, an Bedeutung gewonnen. Eine der am häufigsten verwendeten Techniken zur Untersuchung von Effektorproteinen ist der Gentamicin Protection Assay (GPA), eine einfache Methode, die den Salmonella-Infektionsprozess in vitro nachbildet. Da der GPA jedoch starken Schwankungen unterliegt und eine Endpunktmessungen darstellt, ist dieser unzureichend, wenn gleichzeitig mehrere Bedingungen oder zeitabhängige Dynamiken untersucht werden müssen. Um diese Einschränkungen zu umgeben, wurde InFluence entwickelt, eine Hochdurchsatz-Fluoreszenz-Mikroskopiemethode. Diese Methode ermöglicht Einblicke in die von Salmonellen besiedelten intrazellulären Nischen, und erwies sich als nützliches Instrument zur Charakterisierung von nicht nur von Effektorproteinen, sondern auch von Wirtsproteinen im Infektionsprozess. Darüber hinaus haben wir zur Entwicklung von TriPepSVM, einer Support Vector Machine (SVM), beigetragen. Dieser Algorithmus, der zusammen mit der AG Marsico (ICB - Helmholtz Zentrum München) entwickelt wurde, sagt RNA-Bindeproteine voraus, mithilfe von Tripeptiden in intrinsisch ungefalteten Regionen (IDR). 66 RBPs hat TriPepSVM in Salmonella vorausgesagt, wovon drei im Rahmen dieser Arbeit experimentell validiert wurden. / Salmonella enterica is a species of Gram-negative bacteria and the causative agent of enteric diseases, ranging from gastroenteritis to systemic infections, causing hundreds of thousands of deaths every year. In the last 30 years the basic mechanisms underpinning invasion and intracellular growth have been unravelled: Salmonella produces tens of virulence factors - termed “effectors” - which are secreted by two distinct Type III Secretion Systems (T3SS) for the hijacking of the host cell molecular machinery via protein-protein interactions. Although the biochemical activities of many effectors have been characterised, the functions of some have remained elusive. In addition, post-transcriptional regulation has emerged to prominence in bacteria, with RNA-protein interactions playing a pivotal role in many bacterial functions, including infection. One of the most frequently used techniques to study Salmonella effectors is the Gentamicin Protection Assay (GPA), a simple method which replicates the infection process in vitro; however, as GPA is subject to high levels of variation and only generates end-point measurements, the method can be inadequate when studying multiple conditions at once or following time-dependent dynamics. InFluence, a high-throughput, fluorescence microscopy-based analysis pipeline, was designed to address these issues. InFluence offered insights into the intracellular niches occupied by Salmonella, and proved to be a useful tool in assessing not only the contribution to the infection process of effectors, but that of host proteins too. In addition, we contributed to the development of TriPepSVM, a support vector machine-based (SVM) method developed with the Marsico group (Institute of Computational Biology (ICB) - Helmholtz Zentrum Munchen) for predicting RNA-binding proteins (RBPs) using tripeptides that are frequent in Intrinsic Disordered Regions (IDRs). TriPepSVM predicted 66 new RBPs in Salmonella, and three were experimentally validated.

PPR-Proteine bilden die größte Familie von RNA-Bindeproteinen in Pflanzen und sie werden fast ausschließlich in die Mitochondrien oder Plastiden importiert, wo sie eine wesentliche Rolle im RNA-Metabolismus spielen (Lurin et al., 2004). Doch die Funktionsweise der Proteine ist noch weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit wurde das plastidäre PPR-Protein PPR5 in Zea mays funktionell charakterisiert, dessen Ortholog in Arabidopsis thaliana essentiell für die Embryogenese ist (Cushing et al., 2005). Mittels PPR5-Immunopräzipitation und einer Analyse der kopräzipitierten RNA konnte in vivo eine spezifische Assoziation mit der ungespleißten tRNA-Glycin (UCC) nachgewiesen werden. Analysen von ppr5-Mais-Mutanten offenbarten einen Stabilitätsverlust dieser RNA. Es wurde gefolgert, dass PPR5 das Transkript vor einem endonukleolytischen Abbau schützt. Die weiteren Projekte der Arbeit widmeten sich der Evolution der Familie. Um Erkenntnisse zur Funktion und Spezifität nahe verwandter PPR-Proteine zu erhalten, wurden die drei nächsten Verwandten von PPR5 identifiziert und Mais-Mutanten isoliert. Weiterhin wurde PPR54 untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass PPR54 in Mais – wie in Arabidopsis (Tillich, nicht publiziert) – für das Spleißen des ndhA-Introns benötigt wird. Damit wurden erstmalig orthologe PPR-Proteine in einer Mono- und einer Dikotylen funktionell analysiert. Die vorgelegten Analysen mündeten in drei allgemeingültigen Schlussfolgerungen zur Funktion der PPR-Proteine. 1) Plastidäre PPR-Proteine, die in Dikotylen wie Arabidopsis für die Embryogenese notwendig sind, üben eine Funktion in der plastidären Translation aus. 2) Die vorgeschlagene Funktionsweise von PPR5 erfordert nicht die Rekrutierung anderer, katalytisch aktiver Proteine, sondern ihr liegt ein passiver, auf der Bindung einer RNA beruhender Mechanismus zugrunde. 3) Die Funktion orthologer PPR-Proteine ist in Mono- und Dikotylen konserviert, wie am Beispiel von PPR54 experimentell nachgewiesen wurde. / PPR proteins are the largest family of RNA binding proteins in plants and the vast majority of them is localized to mitochondria or chloroplasts, where they are major players in the RNA metabolism of defined transcripts (Lurin et al., 2004). However, the mechanistic function of these proteins is still not clear. In this study, the plastid PPR protein PPR5, whose ortholog in Arabidopsis thaliana is embryo-essential (Cushing et al., 2005), was functionally characterized in Zea mays. By PPR5 immunoprecipitation and analyses of the coimmunoprecipitated RNA, a specific association to the unspliced tRNA glycine (UCC) was shown in vivo. The analysis of ppr5 maize mutants demonstrated a loss of stability of the tRNA precursor in mutants. It was concluded that the interaction with PPR5 protects the unspliced tRNA from endonucleolytic decay. In addition, close relatives of PPR5 were identified in maize (PPR2, PPR50, and PPR51) by phylogenetic means and maize mutants were isolated. A future characterization of four paralogous PPR proteins might answer whether closely related PPR proteins have similar functions or RNA targets. The analysis of PPR54 in maize demonstrated that PPR5 is needed for the splicing of the ndhA intron in maize as it is in Arabidopsis (Tillich, not published). Three important conclusions concerning the function of PPR proteins in general were drawn from the studies of chosen PPR proteins presented here. First, plastid PPR proteins that are essential in embryo development in eudicots like Arabidopsis should be necessary for plastid translation in most cases. Second, the characterization of PPR5 revealed a possibly ancient functional mechanism of PPR proteins which does not invoke the recruitment of additional catalytic factors but relies on the passive binding of RNA elements. Last, the conservation of function of orthologous PPR proteins in monocots and eudicots, which was shown in the case of PPR54, was demonstrated experimentally for the first time.

Die Infektionskrankheit Malaria wird von einzelligen Parasiten der Gattung Plasmodium verursacht und stellt vor allem im südlichen Afrika eine große Herausforderung dar. Die Zellen der Parasiten enthalten zwei endosymbiontische Organellen, den Apicoplast und das Mitochondrium. Beide Organellen besitzen ein reduziertes Genom. Die Struktur des mitochondrialen Genoms ist ungewöhnlich. Mit nur 6 kb gehört es zu den kleinsten beschriebenen Genomen und enthält neben drei proteinkodierende Gene auch 34 kleine rRNA-Gene. Um das Genom zu exprimieren wird eine Vielzahl von kernkodierten Faktoren benötigt. Die Regulation der Expression, die Prozessierung der polycistronischen Primärtranskripte und die Regulation des RNA-Metabolismus des Mitochondriums ist jedoch weitestgehend unbekannt. In dieser Arbeit konnten kurze RNAs in den Mitochondrien von P. falciparum mittels Hochdurchsatzsequenzierung identifiziert werden. Solche RNA-Akkumulationen an Transkriptenden werden in den Organellen höherer Pflanzen durch PPR-Proteine (Pentatricopeptide repeat) verursacht. Um zu untersuchen, ob in P. falciparum PPR-ähnliche, helikale Proteine vorhanden sind, wurde genomweit nach Proteinen mit repetitiven, helikalen Elementen gesucht. Dabei konnte eine vorher unbekannte Proteinfamilie identifiziert werden, die aufgrund ihrer 37 Aminosäure langen Motive Heptatricopeptide repeat Proteine (HPR) genannt wurde. In P. berghei konnte für 7 HPR-Proteine eine mitochondriale Lokalisation betätigt werden. Außerdem zeigten Deletionsversuche, dass die meisten HPR-Proteine in den Blutstadien essentiell sind. In vitro RNA-Bindestudien konnte für ein rekombinantes HPR-Protein eine unspezifische Interaktion mit mitochondrialen Transkripten nachgewiesen werden, während keine Bindung an DNA erfolgt. Eine breite Suche in verschiedenen phylogenetischen Gruppen zeigte, dass HPR-Proteine in verschiedensten eurkaryotischen Taxa vorhanden sind, mithin früh in der Evolution der eukaryotischen Zelle entstanden sind. / Malaria is caused by a single celled parasite of the genus Plasmodium. Especially in Sub-Saharan Africa, -this disease is a huge challenge for the health system. The cells of the parasites contain two organelles of endosymbiotic origin, the apicoplast and the mitochondrion. Both organelles still contain a reduced genome. For the expression of the genome, the organelles depends on a large set of nuclear encoded proteins. The mitochondrial genome has a unique structure. With only 6 kb it is one of the smallest genomes discovered to date and it contains only three protein coding genes along with 34 small ribosomal genes. The regulation of expression, the processing of the polycistronic primary transcript and the regulation of the RNA metabolism in the mitochondria of Plasmodium remains largely unknown. Through high-throughput sequencing of cellular RNA, we discovered a population of small RNAs originating in the mitochondria of P. falciparum. Similar RNA accumulations can be detected in the organelles of higher plants and are caused by helical-hairpin repeat proteins like PPR proteins (pentatricopeptide repeat). To search for plant-like RNA binding proteins similar to PPR proteins we scanned the nuclear genome of P. falciparum for helical-hairpin repeat proteins. We found a novel protein family with repetitive helical elements of 37 amino acid length we termed heptatricopeptide repeat (HPR) proteins. In the rodent Malaria parasite P. berghei, the mitochondrial localization for 7 HPR-Proteins was verified. In knockout studies, we also showed that almost all HPR proteins are essential for blood stages of P. berghei. In RNA-binding assays, one recombinant HPR protein showed unspecific interaction with mitochondrial transcripts but not with DNA. By broadening the search, we discovered that HPR proteins are found in multiple eukaryotic taxa.