京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第18334号 / 農博第2059号 / 新制||農||1023(附属図書館) / 学位論文||H26||N4841(農学部図書室) / 31192 / 京都大学大学院農学研究科応用生物科学専攻 / (主査)教授 奥野 哲郎, 教授 佐久間 正幸, 准教授 吉田 天士 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

Protein synthesis, translation, performed by the ribosome, is a fundamental process of life and one of the main targets of antibacterial drugs. This thesis provides structural and biochemical understanding of three aspects of bacterial translation. Elongation factor G (EF-G) is the target for the antibiotic fusidic acid (FA). FA binds to EF-G only on the ribosome after GTP hydrolysis and prevents EF-G dissociation from the ribosome. Point mutations in EF-G can lead to FA resistance but are often accompanied by a fitness cost in terms of slower growth of the bacteria. Secondary mutations can compensate for this fitness cost while resistance is maintained. Here we present the crystal structure of the clinical FA drug target, Staphylococcus aureus EF-G, together with the mapping and analysis of all known FA-resistance mutations in EF-G. We also present crystal structures of the FA-resistant mutant F88L, the FA-hypersensitive mutant M16I and the FA-resistant but fitness-compensated double mutant F88L/M16I. Analysis of mutant structures together with biochemical data allowed us to propose that fitness loss and compensation are caused by effects on the conformational dynamics of EF-G on the ribosome. Aminoglycosides are another group of antibiotics that target the decoding region of the 30S ribosomal subunit. Resistance to aminoglycosides can be acquired by inactivation of the drugs via enzymatic modification. Here, we present the first crystal structure an aminoglycoside 3’’ adenyltransferase, AadA from Salmonella enterica. AadA displays two domains and unlike related structures most likely functions as a monomer. Frameshifts are deviations the standard three-base reading frame of translation. -1 frameshifting can be caused by normal tRNASer3 at GCA alanine codons and tRNAThr3 at CCA/CCG proline codons. This process has been proposed to involve doublet decoding using non-standard codon-anticodon interactions. In our study, we showed by equilibrium binding that these tRNAs bind with low micromolar Kd to the frameshift codons. Our results support the doublet-decoding model and show that non-standard anticodon loop structures need to be adopted for the frameshifts to happen. These findings provide new insights in antibiotic resistance and reading-frame maintenance and will contribute to a better understanding of the translation elongation process.

Les expansions du codon CAG (polyQ) sont impliquées dans neuf maladies neurodégénératives. Notre groupe a démontré que, lors de la traduction de la protéine ataxine-3 (Atx3) mutée qui est impliquée dans l’ataxie spinocérébelleuse de type 3 (SCA3), un changement du cadre de lecture vers un cadre décalé -1 (GCA) se produit. La traduction dans ce nouveau cadre de lecture entraine la production de polyalanine et ceci amplifierait la toxicité des polyQ. Le changement de cadre de lecture (ccl) ribosomique peut se produire des virus aux mammifères mais peu de choses sont connues sur son impact chez l’humain. Afin d’étudier ce phénomène dans la protéine Atx3 avec expansion de polyQ, nous avons établi un modèle de Drosophile transgénique et testé si c’était l’ARNm ou la protéine mutée qui était toxique. Nous avons aussi employé un essai de toeprinting (TP) afin d’identifier l’emplacement précis où les ribosomes changent de cadre de lecture sur l’ARNm. Nos résultats indiquent que la toxicité est due à la présence de polyalanines faisant suite au ccl et que l’ARNm en soi n’est pas la cause directe de la toxicité. De plus, nous avons observé que les ribosomes s’arrêtent au 48ième codon glutamine et que cet arrêt est spécifique aux polyQ. L’arrêt des ribosomes a d’ailleurs aussi été observé dans d’autres maladies avec expansions de polyQ. Puisque ces maladies ont des caractéristiques communes, un blocage de ce ccl pourrait atténuer les symptômes des patients SCA3 et d’autres maladies à expansions de polyQ / Coding CAG repeat disorders have been associated with nine neurodegenerative disorders. Our group has previously shown that during the translation of mutant ataxine-3 (Atx3), the protein involved in Spinocerebellar Ataxia type 3 (SCA3), a ribosomal frameshift occurs and leads to the reading of a GCA frame rather than a CAG frame. This new reading frame causes the production of polyalanine in the polyglutamine peptide which increases its toxicity. Ribosomal frameshifts are known to occur in all organisms but little is known about this phenomenon in human. To study ribosomal frameshift along the ATXN3 transcript, we generated a transgenic Drosophila model in which we looked at the toxicity of the mRNA. Also, we developed a toeprinting assay to precisely evaluate where the change of reading frame occurs along the mRNA. Our results suggest that the toxicity observed in our Drosophila model results from the production of polyalanine and not from the presence of the mRNA per se. Moreover, the change in reading frame seems to occur at the 48th CAG codon and this pausing of the ribosome also occurs in other polyQ tracts. Because CAG repeat disorders share many characteristics, an alteration of the frameshift could alleviate symptoms of SCA3 patients as well as of many other diseases with coding CAG repeats.

Doctor of Philosophy / Department of Diagnostic Medicine/Pathobiology / Ying Fang / Porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) employs multiple functions to modulate host’s innate immune response, and several viral nonstructural proteins (nsps) are major players. In this dissertation, the research was mainly focused on identification and functional dissection of ORF1a-encoded nsps. PRRSV replicase polyproteins encoded by ORF1a region are predicted to be processed into at least ten nonstructural proteins. In chapter 2, these predictions were verified by using a panel of newly established antibodies specific to ORF1a-encoded nsps. Most predicted nsps (nsp1β, nsp2, nsp4, nsp7α, nsp7β and nsp8) were identified, and observed to be co-localized with de novo-synthesized viral RNA in the perinuclear region of the cell. Among all PRRSV proteins screened, nsp1β is the strongest type I interferon antagonist. In chapter 3, mutagenesis analysis of nsp1β was performed to knock down nsp1β’s IFN antagonist function. A highly conserved motif, GKYLQRRLQ, was determined to be critical for nsp1β’s ability to suppress IFN-β and reporter gene expression. Double mutations introduced in this motif, K130A/R134A (type 1 PRRSV) or K124A/R128A (type 2 PRRSV), improved PRRSV’s ability to stimulate the expression of IFN-α, IFN-β and ISG15. In addition to its critical roles involving in modulating host innate immune response, in the studies of Chapter 4, we demonstrated that PRRSV nsp1β functions as a transactivator to induce the -2/-1 ribosomal frameshifting in nsp2, which results in expression of two novel PRRSV proteins, nsp2TF and nsp2N. The conserved motif GKYLQRRLQ is also determined to be critical for the transactivation function of nsp1β. In chapter 5, the interferon antagonist, de-Ub and de-ISGylation activity of newly identified nsp2TF and nsp2N were evaluated. In vitro and in vivo characterization of three nsp2TF-deficient recombinant viruses indicated that all mutant viruses have improved ability to stimulate the innate immune response and provide improved protection in mutant virus-vaccinated animals. In summary, this study verified the previously predicted PRRSV pp1a processing products, further evaluated the function of nsp1β and nsp2-related proteins. These data obtained here will provide basic knowledge for future development of vaccines and control measurements.

Les expansions du codon CAG (polyQ) sont impliquées dans neuf maladies neurodégénératives. Notre groupe a démontré que, lors de la traduction de la protéine ataxine-3 (Atx3) mutée qui est impliquée dans l’ataxie spinocérébelleuse de type 3 (SCA3), un changement du cadre de lecture vers un cadre décalé -1 (GCA) se produit. La traduction dans ce nouveau cadre de lecture entraine la production de polyalanine et ceci amplifierait la toxicité des polyQ. Le changement de cadre de lecture (ccl) ribosomique peut se produire des virus aux mammifères mais peu de choses sont connues sur son impact chez l’humain. Afin d’étudier ce phénomène dans la protéine Atx3 avec expansion de polyQ, nous avons établi un modèle de Drosophile transgénique et testé si c’était l’ARNm ou la protéine mutée qui était toxique. Nous avons aussi employé un essai de toeprinting (TP) afin d’identifier l’emplacement précis où les ribosomes changent de cadre de lecture sur l’ARNm. Nos résultats indiquent que la toxicité est due à la présence de polyalanines faisant suite au ccl et que l’ARNm en soi n’est pas la cause directe de la toxicité. De plus, nous avons observé que les ribosomes s’arrêtent au 48ième codon glutamine et que cet arrêt est spécifique aux polyQ. L’arrêt des ribosomes a d’ailleurs aussi été observé dans d’autres maladies avec expansions de polyQ. Puisque ces maladies ont des caractéristiques communes, un blocage de ce ccl pourrait atténuer les symptômes des patients SCA3 et d’autres maladies à expansions de polyQ / Coding CAG repeat disorders have been associated with nine neurodegenerative disorders. Our group has previously shown that during the translation of mutant ataxine-3 (Atx3), the protein involved in Spinocerebellar Ataxia type 3 (SCA3), a ribosomal frameshift occurs and leads to the reading of a GCA frame rather than a CAG frame. This new reading frame causes the production of polyalanine in the polyglutamine peptide which increases its toxicity. Ribosomal frameshifts are known to occur in all organisms but little is known about this phenomenon in human. To study ribosomal frameshift along the ATXN3 transcript, we generated a transgenic Drosophila model in which we looked at the toxicity of the mRNA. Also, we developed a toeprinting assay to precisely evaluate where the change of reading frame occurs along the mRNA. Our results suggest that the toxicity observed in our Drosophila model results from the production of polyalanine and not from the presence of the mRNA per se. Moreover, the change in reading frame seems to occur at the 48th CAG codon and this pausing of the ribosome also occurs in other polyQ tracts. Because CAG repeat disorders share many characteristics, an alteration of the frameshift could alleviate symptoms of SCA3 patients as well as of many other diseases with coding CAG repeats.

Dix-huit maladies humaines graves ont jusqu'ici été associées avec des expansions de trinucléotides répétés (TNR) codant soit pour des polyalanines (codées par des codons GCN répétés) soit pour des polyglutamines (codées par des codons CAG répétés) dans des protéines spécifiques. Parmi eux, la dystrophie musculaire oculopharyngée (DMOP), l’Ataxie spinocérébelleuse de type 3 (SCA3) et la maladie de Huntington (MH) sont des troubles à transmission autosomale dominante et à apparition tardive, caractérisés par la présence d'inclusions intranucléaires (IIN). Nous avons déjà identifié la mutation responsable de la DMOP comme étant une petite expansion (2 à 7 répétitions supplémentaires) du codon GCG répété du gène PABPN1. En outre, nous-mêmes ainsi que d’autres chercheurs avons identifié la présence d’événements de décalage du cadre de lecture ribosomique de -1 au niveau des codons répétés CAG des gènes ATXN3 (SCA3) et HTT (MH), entraînant ainsi la traduction de codons répétés hybrides CAG/GCA et la production d'un peptide contenant des polyalanines. Or, les données observées dans la DMOP suggèrent que la toxicité induite par les polyalanines est très sensible à leur quantité et leur longueur. Pour valider notre hypothèse de décalage du cadre de lecture dans le gène ATXN3 dans des modèles animaux, nous avons essayé de reproduire nos constatations chez la drosophile et dans des neurones de mammifères. Nos résultats montrent que l'expression transgénique de codons répétés CAG élargis dans l’ADNc de ATXN3 conduit aux événements de décalage du cadre de lecture -1, et que ces événements sont néfastes. À l'inverse, l'expression transgénique de codons répétés CAA (codant pour les polyglutamines) élargis dans l’ADNc de ATXN3 ne conduit pas aux événements de décalage du cadre de lecture -1, et n’est pas toxique. Par ailleurs, l’ARNm des codons répétés CAG élargis dans ATXN3 ne contribue pas à la toxicité observée dans nos modèles. Ces observations indiquent que l’expansion de polyglutamines dans nos modèles drosophile et de neurones de mammifères pour SCA3 ne suffit pas au développement d'un phénotype. Par conséquent, nous proposons que le décalage du cadre de lecture ribosomique -1 contribue à la toxicité associée aux répétitions CAG dans le gène ATXN3. Pour étudier le décalage du cadre de lecture -1 dans les maladies à expansion de trinucléotides CAG en général, nous avons voulu créer un anticorps capable de détecter le produit présentant ce décalage. Nous rapportons ici la caractérisation d’un anticorps polyclonal qui reconnaît sélectivement les expansions pathologiques de polyalanines dans la protéine PABPN1 impliquée dans la DMOP. En outre, notre anticorps détecte également la présence de protéines contenant des alanines dans les inclusions intranucléaires (IIN) des échantillons de patients SCA3 et MD. / Eighteen severe human diseases have thus far been associated with trinucleotide repeat (TNR) expansions coding for either polyalanine (encoded by a GCN repeat tract) or polyglutamine (encoded by a CAG repeat tract) in specific proteins. Among them, oculopharyngeal muscular dystrophy (OPMD), spinocerebellar ataxia type-3 (SCA3), and Huntington’s disease (HD) are late-onset autosomal-dominant disorders characterised by the presence of intranuclear inclusions (INIs). We have previously identified the OPMD causative mutation as a small expansion (2 to 7) of a GCG repeat tract in the PABPN1 gene. In addition, we and others have reported the occurrence of -1 ribosomal frameshifting events in expanded CAG repeat tracts in the ATXN3 (SCA3) and HTT (HD) genes, which result in the translation of a hybrid CAG/GCA repeat tract and the production of a polyalanine-containing peptide. Data from OPMD suggests that polyalanine-induced toxicity is very sensitive to the dosage and length of the alanine stretch. To validate our ATXN3 -1 frameshifting hypothesis in animal models, we set out to reproduce our findings in Drosophila and mammalian neurons. Our results show that the transgenic expression of expanded CAG repeat tract ATXN3 cDNA led to -1 frameshifting events, and that these events are deleterious. Conversely, the expression of polyglutamine-encoding expanded CAA repeat tract ATXN3 cDNA was neither frameshifted nor toxic. Furthermore, expanded CAG repeat tract ATXN3 mRNA does not contribute to the toxicity observed in our models. These observations indicate that expanded polyglutamine repeats in Drosophila and mammalian neuron models of SCA3 are insufficient for the development of a phenotype. Hence, we propose that -1 ribosomal frameshifting contributes to the toxicity associated with CAG repeat tract expansions in the ATXN3 gene. To further investigate ribosomal frameshifting in expanded CAG repeat tract diseases, we sought to create an antibody capable of detecting the frameshifted product. Here we report the characterization of a polyclonal antibody that selectively recognizes pathological expansions of polyalanine in the protein implicated in OPMD, PABPN1. Furthermore, our antibody also detects the presence of alanine proteins in the intranuclear inclusions (INIs) of SCA3 and HD patient samples.