Der Ribonukleinsäure (RNS) Stoffwechsel umfasst verschiedene Schritte, beginnend mit der Transkription der RNS über die Translation bis zum RNA Abbau. Poly(A) Schwänze befinden sich am Ende der meisten der Boten-RNS, schützen die RNA vor Abbau und stimulieren Translation. Die Deadenylierung von Poly(A) Schwänzen limitiert den Abbau von RNS. Bisher wurde RNS Abbau meist im Kontext von cytoplasmatischen Prozessen untersucht, ob und wie RNS Deadenylierung und Abbau in Nukleus erfolgen ist bisher unklar. Es wurde daher eine neue Methode zur genomweiten Bestimmung von Poly(A) Schwanzlänge entwickelt, welche FLAM-Seq genannt wurde. FLAM-Seq wurde verwendet um Zelllinien, Organoide und C. elegans RNS zu analysieren und es wurde eine signifikante Korrelation zwischen 3’-UTR und Poly(A) Länge gefunden, sowie für viele Gene ein Zusammenhang von alternativen 3‘-UTR Isoformen und Poly(A) Länge. Die Untersuchung von Poly(A) Schwänzen von nicht-gespleißten RNS Molekülen zeige, dass deren Poly(A) Schwänze eine Länge von mehr als 200 nt hatten. Die Analyse wurde durch eine Inhibition des Spleiß-Prozesses validiert. Die Verwendung von Methoden zur Markierung von RNS, welche die zeitliche Auflösung der RNS Prozessierung ermöglicht, deutete auf eine Deadenylierung der Poly(A) Schwänze schon wenige Minuten nach deren Synthesis hin. Die Analyse von subzellulären Fraktionen zeigte, dass diese initiale Deadenylierung ein Prozess im Nukleus ist. Dieser Prozess ist gen-spezifisch und Poly(A) Schwänze von bestimmten Typen von Transkripten, wie nuklearen langen nicht-kodierende RNS Molekülen waren nicht deadenyliert. Um Enzyme zu identifizieren, welche die Deadenylierung im Zellkern katalysieren, wurden verschiedene Methoden wie RNS-abbauende Cas Systeme, siRNAs oder shRNA Zelllinien verwendet. Trotz einer effizienten Reduktion der RNS Expression entsprechender Enzymkomplexe konnten keine molekularen Phänotypen identifiziert werden welche die Poly(A) Länge im Zellkern beeinflussen. / The RNA metabolism involves different steps from transcription to translation and decay of messenger RNAs (mRNAs). Most mRNAs have a poly(A) tail attached to their 3’-end, which protects them from degradation and stimulates translation. Removal of the poly(A) tail is the rate-limiting step in RNA decay controlling stability and translation. It is yet unclear if and to what extent RNA deadenylation occurs in the mammalian nucleus. A novel method for genome-wide determination of poly(A) tail length, termed FLAM-Seq, was developed to overcome current challenges in sequencing mRNAs, enabling genome-wide analysis of complete RNAs, including their poly(A) tail sequence. FLAM-Seq analysis of different model systems uncovered a strong correlation between poly(A) tail and 3’-UTR length or alternative polyadenylation. Cytosine nucleotides were further significantly enriched in poly(A) tails. Analyzing poly(A) tails of unspliced RNAs from FLAM-Seq data revealed the genome-wide synthesis of poly(A) tails with a length of more than 200 nt. This could be validated by splicing inhibition experiments which uncovered potential links between the completion of splicing and poly(A) tail shortening. Measuring RNA deadenylation kinetics using metabolic labeling experiments hinted at a rapid shortening of tails within minutes. The analysis of subcellular fractions obtained from HeLa cells and a mouse brain showed that initial deadenylation is a nuclear process. Nuclear deadenylation is gene specific and poly(A) tails of lncRNAs retained in the nucleus were not shortened. To identify enzymes responsible for nuclear deadenylation, RNA targeting Cas-systems, siRNAs and shRNA cell lines were used to different deadenylase complexes. Despite efficient mRNA knockdown, subcellular analysis of poly(A) tail length by did not yield molecular phenotypes of changing nuclear poly(A) tail length.

Initiation der Translation ist ein komplexer und stark regulierter Prozess, bei dem Ribosomen die mRNA binden. Die überwiegende Mehrheit eukaryotischer mRNAs wird durch einen 5‘-Cap-abhängigen Mechanismus translatiert. Dazu bindet der eIF4F-Proteinkomplex die mRNA an der 5'-Cap-Struktur, um weitere eIFs und die kleine ribosomale Untereinheit zu rekrutieren, welche dann die 5'UTR von 5'- in 3'-Richtung bis zu einem Startcodon scannt. Anschließend trifft die große ribosomale Untereinheit dazu und die Proteinsynthese beginnt. Darüber hinaus kann die Translation durch IRES, interne ribosomale Eintrittsstellen, vermittelt werden, welche das Ribosom unabhängig von Cap und 5‘-Ende zum Startcodon rekrutieren. Die zelluläre IRES-vermittelte Translation gilt als ineffizient unter physiologischen Bedingungen, wird aber durch Stress aktiviert. Da die Regulation dieses Mechanismus weitaus unbekannt ist, haben wir die zelluläre, Cap-unabhängige Translationsinitiation untersucht. Dafür haben wir eine embryonale Stammzelllinie generiert, welche eine dominant-negative Mutante von 4E-BP1 exprimiert. 4E-BP1 bindet das 5‘-Cap-bindende Protein, sodass eIF4F nicht am 5'-Cap andocken kann. Wir haben das Proteom während der Überexpression von 4E-BP1 und der neuronalen Differenzierung bestimmt, um Translationsdynamiken systemisch zu erfassen. Gene mit verminderter Sensitivität für die Cap-abhängige Translation wurden so identifiziert und in bicistronischen Reporter-Assays getestet. Nach strenger Validierung wurde eine Cap-unabhängig translatierte mRNA, Pqbp1, entdeckt. Der zweite Teil dieser Studie untersuchte die Cap-unabhängige Translation einer circRNA, welche keine freien Enden hat und daher per IRES translatiert werden muss. Wir konnten bestätigen, dass circMbl in vitro translatiert wird und konnten so innerhalb eines Kooperationsprojekts zu der Erkenntnis beitragen, dass circRNAs im Fliegengehirn translatiert werden. / Translation initiation is a complex and highly regulated process which involves the assembly of an elongation competent ribosome on the mRNA. The vast majority of eukaryotic mRNAs is translated by a canonical cap-dependent mechanism. This requires the eIF4F protein complex to bind the mRNA at the 5’-cap to recruit further eIFs and the small ribosomal subunit which then scans the 5’UTR in 5’ to 3’ direction until a start codon is encountered. Afterwards the large ribosomal subunit joins and protein synthesis begins. Besides that, translation of mRNAs can be mediated by IRESs, internal ribosome entry sites, which recruit the ribosome in a cap and 5’-end-independent manner to the start codon. Such cellular IRES-mediated translation is thought to be inefficient under physiological conditions but activated during stress. As the regulation of this mechanism is not well understood, we aimed to elucidate cellular cap-independent translation events. Therefore, we generated a mouse embryonic stem cell line with inducible overexpression of a dominant negative mutant of 4E-BP1. 4E-BP1 sequesters the cap-binding protein eIF4E so that the eIF4F protein complex fails to assemble at the 5’-cap. We performed shotgun proteomics during 4E‑BP1 overexpression and neuronal differentiation to globally monitor translation dynamics. Genes with reduced sensitivity for cap-dependent translation were identified and tested for internal translation initiation in bicistronic reporter assays. After stringent validation one cap-independently translated mRNA, Pqbp1, was discovered. The second part of this study investigated cap-independent translation initiation on a circRNA, which by nature lacks free ends and thus requires IRES-mediated translation. We could show that circMbl is translated in vitro and thus contributed to the scientific evidence for the translation of circRNAs in fly brain, which was studied in a collaboration project.

Die Lokalisierung von mRNA ist ein wichtiger regulativer Mechanismus in polarisierten Zellen und in frühen Embryonalstadien. Dort sind räumliche Muster maternaler mRNA für die korrekte Entwicklung der Körperachsen und die Spezifizierung der Keimzellen verantwortlich. Systematische Analysen dieser Prozesse wurden jedoch bisher limitiert durch einen Mangel an räumlicher und zeitlicher Auflösung von Einzelzell- Sequenzierungsdaten. Wir analysierten die Dynamik des räumlichen und zeitlichen Transkriptoms während frühen Embryonalstadien von Zebrafischen. Wir verbesserten Empfindlichkeit und Auflösung von tomo-seq und erfassten damit systematisch räumlich aufgelöste Transkriptome entlang der animal-vegetalen-Achse Embryonen im Einzell-Stadium und fanden 97 vegetal lokalisierte Gene. Außerdem etablierten wir eine Hochdurchsatz kompatible Variante der RNA-Markierungsmethode scSLAM-seq. Wir wendeten diese in Embryonen während der Gastrulation. Von den vegetal lokalisierten Genen waren 22 angereichert in Keimzellen, was eine funktionelle Rolle bei der Spezifizierung von Keimzellen nahelegt. Mit tomo-seq untersuchten wir die evolutionäre Konservierung der RNA-Lokalisierung zwischen Zebrafischen und gereiften Oozyten zweier Xenopus-Arten. Wir verglichen die lokalisierten Gene, suchten nach konservierten 3'UTR-Motiven, und fanden zum Teil überlappende Motive, was auf eine mögliche mechanistische Konservierung der Lokalisierungsmechanismen hinweist. Wir untersuchten auch RNA-Editierung von Adenin zu Inosin während der Embryonalentwicklung und in den Organen erwachsener Fische. In im Gehirn exprimierten Transkripten fanden wir 117 Editierstellen, die hauptsächlich für Ionentransporter kodieren und zum Teil zum Menschen konserviert sind. Die höchsten Editierraten konnten wir in Eierstöcken, Hoden und frühen Embryonen nachweisen, was auf eine mögliche Rolle bei der Regulierung der RNA-Stabilität hindeutet. / Subcellular localization of mRNA is an important regulatory mechanism in polarized cells. In early embryos of many species, spatial patterns of maternal mRNA are essential for the proper development of body axes and the specification of germ cells. These processes have been studied in zebrafish, but systematic analyses have been hindered by a lack of spatial and temporal information in single-cell RNA sequencing. We performed a spatial-temporal analysis of the zebrafish transcriptome during early embryonic development to systematically characterize localized mRNA and the fate of maternal transcripts until gastrulation stage. We enhanced sensitivity and resolution of the tomo-seq method and systematically acquired spatially-resolved transcriptomes along the animal-vegetal axis of one-cell stage zebrafish embryos, and found 97 genes to be localized vegetally. Furthermore, we established an in vivo and high-throughput compatible version of the single-cell RNA labeling method scSLAM-seq in gastrulation stage embryos. We followed localized transcripts until gastrulation and found transcripts of 22 of the vegetally localized genes enriched in primordial germ cells. We propose that these genes have a functional role in the early priming of the germ cell fate. To investigate the evolutionary conservation of vegetal RNA localization, we acquired tomo-seq datasets of mature oocytes of two xenopus species. We compared the pools of localized RNA and searched for conserved 3’UTR motifs. The resulting sets showed high similarity, possibly reflecting a mechanistic conservation of localization pathways. We also investigated RNA A-to-I editing during embryonic development and in organs of adult fish. Specifically, we identified 117 recoding editing sites in the brain that mainly encode for ion transporters and are partly conserved in humans. We detected the highest editing levels in ovary, testes and in early embryos, implicating a potential role in regulating RNA stability.