A distinguishing feature of eukaryotic cells is the spatial separation of the site of mRNA synthesis (nucleus) from the site of mRNA function (cytoplasm) by the nuclear envelope. As a consequence, mRNAs need to be actively exported from the nucleus to the cytoplasm. At the time when this study was initiated, both human TAP and yeast Mex67p had been proposed to play a role in this process. Work presented in this thesis (section 2.1) revealed that TAP and Mex67p belong to an evolutionarily conserved family of proteins which are characterized by a conserved modular domain organization. This family was termed nuclear export factor (NXF) family. While the yeast genome encodes only one NXF protein (Mex67p), the genomes of higher eukaryotes encode several NXF proteins. There are two nxf genes in C. elegans and A. gambiae, four in D. melanogaster, and at least four in H. sapiens and M. musculus. It was unclear whether, apart from TAP and Mex67p, other members of this family would also be involved in mRNA export. In the first part of this thesis (2.1), several human NXF members were tested for a possible function in nuclear mRNA export. They were analyzed for their interaction with RNA, nucleoporins and other known TAP partners in vitro, and tested for their ability to promote nuclear export of a reporter mRNA in vivo. Using these assays, human NXF2, NXF3 and NXF5 were all shown to interact with the known NXF partner p15. NXF2 and NXF5 were also found to bind directly to RNA, but only NXF2 was able to bind directly to nucleoporins and to promote the nuclear export of an (untethered) reporter mRNA. Thus NXF2 possesses many and NXF3 and NXF5 possess some of the features required to serve as an export receptor for cellular mRNAs. As NXF2 and NXF3 transcripts were mainly found in testis, and the closest orthologue of NXF5 in mouse has the highest levels of expression in brain, these NXF members could potentially serve as tissue-specific mRNA export receptors. In the second part of this work (2.2), the role of different Drosophila NXF proteins and other export factors in mRNA export was investigated using double-stranded RNA interference (RNAi) in Drosophila Schneider cells. Three of the four predicted Drosophila NXF members (NXF1-3) were found to be expressed in this cell line and could be targeted by RNAi. Depletion of endogenous NXF1 inhibited growth and resulted in the nuclear accumulation of polyadenylated RNA. Fluorescence in situ hybridization revealed that export of both heat shock and non-heat shock mRNAs, including intron-containing and intronless mRNAs, was inhibited. Depleting endogenous NXF2 or NXF3 had no apparent phenotype. These results suggested that NXF1 (but not NXF2-NXF4) mediates the export of bulk mRNA in Drosophila cells. We and others have shown that human NXF proteins function as heterodimers bound to the small protein p15. Accordingly, silencing of Drosophila p15 resulted in a block of mRNA export which was indistinguishable from the export inhibition seen after targeting NXF1. These observations indicated that neither NXF1 nor p15 can promote export in the absence of the other subunit of the heterodimer. NXF1:p15 heterodimers are implicated in late steps of mRNA export, i.e. in the translocation of mRNP export cargoes across the nuclear pore complex. The mechanism by which NXF1:p15 dimers are recruited to the mRNA is unclear. A protein that is thought to play a role in this process is the putative RNA helicase UAP56. Similar to NXF1 and p15, UAP56 was shown to be essential for mRNA export in Drosophila. UAP56 is recruited cotranscriptionally to nascent transcripts and was suggested to facilitate the interaction of NXF1:p15 with mRNPs. Even though both NXF1:p15 heterodimers and UAP56 had been implicated in general mRNA export, it was unclear whether there are classes of mRNAs that require NXF1:p15, but not UAP56 or vice versa. It was also unclear what fraction of cellular mRNAs is exported by NXF1:p15 dimers and UAP56, and whether mRNAs exist that reach the cytoplasm through alternative routes, i.e. by recruiting other export receptors. To address these issues we performed a genome-wide analysis of nuclear mRNA export pathways using microarray technology (2.2.2). We analyzed the relative abundance of nearly half of the Drosophila transcriptome in the cytoplasm of Drosophila Schneider cells depleted of different export factors by RNAi. We showed that the vast majority of transcripts were underrepresented in the cytoplasm of cells depleted of NXF1, p15 or UAP56 as compared to control cells. Only a small number of mRNAs were apparently not affected by the depletions. These observations, together with the wide and similar effects on mRNA levels caused by the depletion of NXF1, p15 or UAP56, indicate that these proteins define the major mRNA export pathway in these cells. We also identified a small subset of mRNAs which appeared to be exported by NXF1:p15 dimers independently of UAP56. In contrast, no significant changes in mRNA expression profiles were observed in cells depleted of NXF2 or NXF3, suggesting that neither NXF2 nor NXF3 play an essential role in mRNA export in Drosophila Schneider cells. Crm1 is a transport receptor implicated in the export of a variety of non-mRNA and protein cargoes. In addition, human Crm1 has been suggested to be involved in the export of a specific mRNA species, serving as a "specialized" mRNA export receptor. A role of human Crm1 in the export of bulk mRNA is considered unlikely. We analyzed the role of Drosophila Crm1 in mRNA export by inhibiting Crm1 with the drug leptomycin B in Schneider cells. Subsequent microarray analysis demonstrated that the inactivation of Crm1 resulted in decreased cytoplasmic levels of less than 1% of all mRNAs, indicating that Crm1 is indeed not a major mRNA export receptor. The genome-wide analysis also revealed a feedback loop by which a block to mRNA export triggers the upregulation of genes involved in this process. This thesis also includes two sections describing projects in which I participated during my Ph.D., but which were not the main focus of this thesis. In section 2.3, the role of the different TAP/NXF1 domains in nuclear mRNA export is discussed. Section 2.4 describes results that were obtained as part of a collaboration using the RNAi technique in Schneider cells to study the function of Cdc37. / Bedingt durch die räumliche Trennung von Transkription und Translation müssen mRNAs in eukaryotischen Zellen aktiv vom Kern in das Cytoplasma transportiert werden. Zu Beginn dieser Arbeit war bekannt, dass das menschliche Protein TAP und Mex67p aus Hefe an diesem Prozess beteiligt sind. Mit Hilfe von Datenbankrecherchen konnte in dieser Arbeit gezeigt werden (Kapitel 2.1), dass TAP und Mex67p zu einer Proteinfamilie von verwandten Proteinen gehören, deren Mitglieder sich durch eine konservierte, modulartige Domänenstruktur auszeichnen. Dieser bis dahin unbekannten Familie wurde die Bezeichnung "Nuclear Export Factor (NXF)"-Familie zugewiesen. Während das Hefegenom für nur ein NXF-Protein (Mex67p) kodiert, finden sich in den Genomen höherer Eukaryoten mehrere nxf-Gene. So konnten in C. elegans und A. gambiae zwei nxf-Gene und in D. melanogaster, H. sapiens und M. musculus vier nxf-Gene identifiziert werden. Es war jedoch unklar, ob diese bis dahin uncharakterisierten NXF-Proteine - ähnlich wie TAP und Mex67p - an mRNA-Exportprozessen beteiligt sind. Daher wurde im ersten Teil dieser Arbeit (2.1) untersucht, inwieweit verschiedene menschliche NXF-Proteine die typischen Charakteristika von mRNA-Exportrezeptoren aufweisen. Hierzu wurde analysiert, ob die einzelnen humanen NXF-Proteine in der Lage sind, mit RNA, Kernporenproteinen und anderen schon bekannten TAP-Interaktoren in vitro zu interagieren. Zudem wurden verschiedene menschliche NXF-Proteine auf ihre Fähigkeit getestet, den Export einer Reporter-mRNA in vivo zu stimulieren. Mit Hilfe dieser Experimente konnte nachgewiesen werden, dass NXF2, NXF3 und NXF5 in der Lage sind, mit dem TAP-Interaktor p15 zu interagieren, aber nur NXF2 und NXF5 direkt an RNA binden können. Ausschließlich NXF2 war in der Lage, direkt an Kernporenproteine zu binden und den Export der getesteten Reporter-mRNA zu stimulieren. NXF2 besitzt also die typischen Eigenschaften eines mRNA-Exportrezeptors, während bei NXF3 und NXF5 nur einige dieser Eigenschaften nachgewiesen werden konnten. Da in Säugetieren eine gewebespezifische Expression verschiedener TAP-Homologe nachgewiesen wurde, könnte es sich bei diesen NXF-Mitgliedern um gewebespezifische Exportfaktoren handeln. So wurden z.B. humane NXF2- und NXF3-Transkripte vor allem in Hodengewebe detektiert, während das nächstverwandte Ortholog von menschlichem NXF5 in Maus am stärksten in Hirngewebe exprimiert wird. Im zweiten Teil dieser Arbeit (2.2) wurde die mögliche Beteiligung von Drosophila-NXF-Proteinen an mRNA-Exportprozessen mit Hilfe von RNA-Interferenz (RNAi) in Drosophila-Schneiderzellen untersucht. Die Analyse wurde dabei auf nur drei der vier NXF-Proteine (NXF1-3) beschränkt, da das vierte (NXF4) in diesen Zellen nicht exprimiert ist bzw. nicht nachgewiesen werden konnte. Die Depletion von endogenem NXF1 durch RNAi verursachte einen Wachstumsstopp der Zellen sowie eine Akkumulierung von polyadenylierten RNAs im Kern. Mit Hilfe von in-situ-Hybridisierung konnte gezeigt werden, dass in Zellen, in denen NXF1 depletiert worden war, der Export von Hitzeschock-mRNAs und Nicht-Hitzeschock-mRNAs blockiert war. Hierbei waren sowohl intronlose, als auch intronhaltige Transkripte betroffen. Die Depletion von endogenem NXF2 oder NXF3 hatte keine offensichlichen Auswirkungen auf den Phänotyp der Zellen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass NXF1 (nicht aber NXF2-NXF4) für den Export des Großteils von mRNAs in Drosophila-Schneiderzellen verantwortlich ist. Es war postuliert worden, dass menschliche NXF-Proteine nur als Heterodimere (komplexiert mit dem Protein p15) aktiv sind. In dieser Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass die Depletion von p15 mit Hilfe von RNAi in Drosophila-Schneiderzellen - ähnlich wie die Depletion von NXF1 - eine Blockierung des Exports von mRNAs zur Folge hat. Die nahezu identischen Effekte nach der Depletion von NXF1 oder p15 legen den Schluss nahe, dass keines der zwei Proteine ohne das andere mRNAs exportieren kann, die Bildung eines Heterodimers also auch in Drosophila essentiell ist. NXF1:p15-Heterodimere spielen eine Rolle bei späten Vorgängen des Kernexports, da sie die Translokation von mRNPs durch die Kernpore hindurch vermitteln. Unklar ist jedoch, wie NXF1:p15-Dimere an das mRNA-Substrat binden. Es war postuliert worden, dass die RNA-Helikase UAP56 dabei eine Rolle spielt. UAP56 ist ähnlich wie NXF1 und p15 essentiell für den Export von mRNAs in Drosophila. Es bindet schon während der Transkription an die RNA und könnte die Interaktion von NXF1:p15 mit dem Transkript erleichtern. Obgleich NXF1:p15 und UAP56 eindeutig als essentielle Exportfaktoren identifiziert worden waren, war die Frage, inwieweit alle mRNA-Exportvorgänge NXF1, p15 und UAP56 benötigen, noch unbeantwortet. Beispielsweise könnten mRNAs existieren, die NXF1 und p15 benötigen, nicht aber UAP56 (oder umgekehrt). Zudem könnten mRNAs existieren, die ganz ohne die Hilfe von NXF1, p15 und UAP56 exportiert werden können, z.B. indem sie andere Exportfaktoren nutzen. Um diese Frage zu beantworten, wurde eine auf Microarrays basierende "large scale"-Analyse durchgeführt (2.2.2). Dabei wurden die relativen Häufigkeiten von etwa der Hälfte aller Drosophila-Transkripte im Cytoplasma von Drosophila-Schneiderzellen bestimmt, in denen verschiedene Exportfaktoren mit Hilfe von RNAi inhibiert worden waren. Mit diesem Ansatz konnte gezeigt werden, dass im Cytoplasma von Zellen, in denen die Expression von NXF1, p15 oder UAP56 durch RNAi inhibiert worden war, der Großteil aller Transkripte im Vergleich zu Kontrollzellen unterrepräsentiert war. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sowohl NXF1:p15 also auch UAP56 essentiell für den Export der meisten mRNAs sind. Es konnte aber auch eine geringe Anzahl von Transkripten identifiziert werden, deren Abundanz im Cytoplasma sich durch die Depletion dieser drei Proteine nicht veränderte. Diese Transkripte könnten u.U. mit Hilfe von alternativen Exportrezeptoren in das Cytoplama gelangen. Des weiteren wurde eine kleine Gruppe mRNAs gefunden, die von NXF1:p15-Dimeren ohne die Hilfe von UAP56 exportiert werden. Im Gegensatz dazu konnten keine signifikanten Änderungen der mRNA Expressionsprofile in Schneiderzellen nachgewiesen werden, in denen NXF2 oder NXF3 mit Hilfe von RNAi depletiert worden waren. Dies legt den Schluss nahe, dass weder NXF2 noch NXF3 eine essentielle Aufgabe beim Export von mRNAs in diesen Zellen haben. Das Protein Crm1 ist ein Transportrezeptor, der am Export von einer Vielzahl von RNA- und Proteinsubstraten beteiligt ist. Menschliches Crm1 wurde als potentieller mRNA-Exportrezeptor für einzelne mRNAs mit spezifischen Eigenschaften gehandelt. Eine Beteiligung am generellen Export von mRNAs wurde aber als unwahrscheinlich angesehen. In dieser Arbeit wurde eine mögliche Beteiligung von Drosophila-Crm1 an mRNA-Exportprozessen untersucht (2.2.2). Durch eine Behandlung mit Leptomycin B wurde Crm1 in Drosophila-Zellen inhibiert. Die nachfolgenden Analysen mit Hilfe von Microarrays konnten bestätigen, dass Crm1 auch in Drosophila kein genereller mRNA Exportfaktor ist, da weniger als 1% aller Transkripte signifikant niedrigere Level im Cytoplasma aufwiesen. Zudem konnten bisher keine Transkripte identifiziert werden, die eindeutig von Crm1, aber ohne die Beteiligung von NXF1:p15 exportiert werden. In der auf Microarrays basierenden Analyse konnte außerdem ein "feedback loop" nachgewiesen werden, der im Falle einer Exportinhibierung zu einer Hochregulierung von Genen führt, die eine Rolle bei Kernexportprozessen spielen. Zudem werden in dieser Arbeit zwei Projekte beschrieben, an denen ich während meiner Doktorarbeit beteiligt war, die aber nicht das Hauptthema meiner Promotion waren. Kapitel 2.3 beschreibt die Analyse der Rolle der verschiedenen TAP/NXF1-Domänen beim mRNA-Kernexport. Kapitel 2.4 enthält Daten, die im Rahmen einer Kooperation erzielt wurden, bei der die Funktion von Cdc37 mit Hilfe von RNAi in Drosophila-Schneiderzellen untersucht wurde.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:475 |
| Date | January 2003 |
| Creators | Herold, Andrea |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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