Zugl.: Berlin, Freie Univ., Diss., 2007

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.

cpRNPs (chloroplastidäre Ribonukleoproteine) sind kernkodierte RNA-Bindeproteine, die jeweils zwei RRM (RNA recognition motif)-Domänen besitzen und in die Chloroplasten höherer Landpflanzen importiert werden. Die Mitwirkung dieser Proteine an der Reifung plastidärer mRNAs in vitro, ihre bemerkenswert hohe Abundanz sowie die Beeinflussung ihrer Funktion durch lichtabhängige posttranslationale Modifikationen weisen auf eine bedeutende Rolle der cpRNPs in der Regulierung der plastidären Genexpression hin. In dieser Arbeit erfolgte erstmals eine Analyse der in vivo bestehenden Interaktionen zwischen cpRNPs und RNA im Stroma von Chloroplasten mittels RIP-Chip-Analysen. Es konnte gezeigt werden, dass ein Großteil der plastidären mRNA-Spezies mit CP31A und CP29A kopräzipitiert. Neben der mehrheitlichen Überlappung der RNA-Interaktionen konnten spezifische Präferenzen von CP29A und CP31A für bestimmte Transkripte identifiziert werden. Um Einblicke in die molekularen Funktionen der cpRNPs zu erhalten, wurden cp29a- und cp31a- Einzel- und Doppelmutanten hinsichtlich der Akkumulation, sowie des Spleiß- und Edierungsstatus plastidärer mRNAs untersucht. Da unter Standard-Wachstumsbedingungen lediglich wenige milde Defekte innerhalb der mRNA-Reifung in den Mutanten detektiert wurden, erfolgten weitere Analysen unter Kältestress-Bedingungen, die zu einer Induktion der CP29A-Expression und zu dem Ausbleichen junger Blattgewebe in cp29a- und cp31a-Mutanten führten. In diesen chlorotischen Geweben wurden reduzierte Akkumulationen plastidärer Proteine sowie PEP-abhängig transkribierter mRNAs detektiert. Darüber hinaus Prozessierungsdefekte für einige Transkripte beobachtet: Die Reifung der 23S-rRNA findet in cp29a- und cp31a-Mutanten nur eingeschränkt statt. In cp31a-Mutanten sind zudem die Prozessierung der ycf3-RNA sowie die Spaltung eines polycistronischen rpl33-Vorläufers gestört. In cp29a-Mutanten ist unter anderem die Prozessierung der rpoC1- und der ycf3-mRNA defizitär. / cpRNPs (chloroplast ribonucleoproteins) are nuclear encoded RNA-binding proteins, which contain two RRM (RNA recognition motif) domains and reside within the chloroplasts of higher land plant species. They are involved in plastid mRNA accumulation and processing in vitro. Their involvement in multiple steps of mRNA maturation and their remarkable abundance together with their regulation via posttranslational modifications identified the cpRNPs as potential central regulators of chloroplast gene expression. This work investigated the in vivo interactions of CP29A and CP31A from Arabidopsis with RNA in isolated chloroplasts via RIP-Chip. In this approach the association of both proteins with the majority of plastid mRNA species could be shown. While the interaction profiles of CP29A and CP31A were largely overlapping, also specific preferences for some transcripts were detected. To gain insights in the molecular functions of CP29A and CP31A, null mutants for one or both cpRNPs were analyzed for mRNA accumulation, splicing and editing. Since only few mild mRNA maturation defects were detected at standard growth conditions, analyses at cold stress were performed. Cold stress leads to an increase in CP29A expression and in both cp29a- and cp31a single- and double mutants a bleaching of young leaf tissue was observed. The chlorotic tissues showed a strong decrease in plastid protein accumulation accompanied by reduced levels of PEP-dependent transcripts. In addition some processing defects were observed: The maturation of the 23S-rRNA was reduced in cp29a- and cp31a mutants. In addition the processing of the ycf3-mRNA and a polycistronic rpl33 transcript were defective in cp31a mutants. In cp29a mutants processing defects within the rpoC1- and the ycf3-mRNA were detected.

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 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.

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.