An essential step in eukaryotic gene expression is splicing, i.e. the excision of non-coding sequences from pre-mRNA and the ligation of coding-sequences. This reaction is carried out by the spliceosome, which is a macromolecular machine composed of small nuclear ribonucleoproteins (snRNPs) and a large number of proteins. Spliceosomal snRNPs are composed of one snRNA (or two in case of U4/6 snRNPs), seven common Sm proteins (SmD1, D2, D3, B, E, F, G) and several particle-specific proteins. The seven Sm proteins form a ring shaped structure on the snRNA, termed Sm core domain that forms a structural framework of all spliceosomal snRNPs. In the toroidal Sm core domain, the individual Sm proteins are arranged in the sequence SmE-SmG-SmD3-SmB- SmD1-SmD2-SmF from the first to the seventh nucleotide of the Sm site, respectively. The individual positions of Sm proteins in the Sm core domain are not interchangeable.
snRNPs are formed in vivo in a step-wise process, which starts with the export of newly transcribed snRNA to the cytoplasm. Within this compartment, Sm proteins are synthesized and subsequently transferred onto the snRNA. Upon formation of the Sm core and further modifications of snRNA, the snRNP is imported into the nucleus to join the spliceosome.
Prior to assembly into snRNPs, Sm proteins exist as specific hetero-oligomers in the cytoplasm. The association of these proteins with snRNA occurs spontaneously in vitro but requires the assistance of two major units, PRMT5- and SMN- complexes, in vivo. The early phase of assembly is critically influenced by the assembly chaperone pICln. This protein pre-organizes Sm proteins to functional building blocks and enables their recruitment onto the PRMT5 complex for methylation. Sm proteins are subsequently released from the PRMT5 complex as pICln bound entities and transferred onto the SMN-complex. The SMN complex then liberates the Sm proteins from the pICln-induced kinetic trap and allows their transfer onto the snRNA. Although the principal roles of SMN- and PRMT5 complexes in the assembly of snRNPs have been established, it is still not clear how newly translated Sm proteins are guided into the assembly line.
In this thesis, I have uncovered a new facet of pICln function in the assembly of snRNPs. I have shown that newly synthesized Sm proteins are retained at the ribosome upon termination of translation. Their release is facilitated by pICln, which interacts with the cognate Sm protein hetero-oligomers at their site of synthesis on the ribosome and recruits them into the assembly pathway. Additionally, I have been able to show that the early engagement of pICln with the Sm proteins ensures the flawless oligomerization of Sm proteins and prevents any non-chaperoned release and diffusion of Sm proteins in the cytoplasm.
In a second project, I have studied the mechanism of U7 snRNP assembly. This particle is a major component of the 3’ end processing machinery of replication dependent histone mRNAs. A biochemical hallmark of U7 is its unique Sm core in which the two canonical Sm proteins D1 and D2 are replaced by so-called “like Sm proteins”. The key question I addressed in my thesis was, how this “alternative” Sm core is assembled onto U7 snRNA. I have provided experimental evidence that the assembly route of U7 snRNPs and spliceosomal snRNPs are remarkably similar: The assembly of both particles depends on the same assembly factors and the mechanistic details are similar. It appears that formation of the U7- or spliceosomal- core specific 6S complex is the decisive step in assembly. / Ein wesentlicher Schritt in der eukaryotischen Genexpression ist das Spleißen, welches nicht-kodierende Sequenzen aus prä-mRNA entfernt und kodierende Sequenzen zusammenfügt. Diese Reaktion wird durch das Spleißosom, einer makromolekularen Maschine, die aus kleinen nucleären Ribonukleoproteinpartikeln (snRNPs) und einer großen Anzahl von Proteinen zusammengesetzt ist, durchgeführt. Spleißosomale snRNPs bestehen aus einer snRNA (oder zwei im Falle von U4/6 snRNPs) und zwei Klassen von Proteinen: Die Sm Proteine SmD1, SmD2, SmD3, SmB, SmE, SmF und SmG finden sich in allen snRNPs und sind daher für allgemeine Funktionen der snRNPs verantwortlich. Dem gegenüber stehen die Partikel-spezifischen Proteinen, die für spezifische Funktionen der individuellen snRNPs verantwortlich sind. Die gemeinsamen Sm Proteine umschließen einen einzelsträngigen Bereich der snRNA (Sm-Bindungsstelle) in einer ringförmigen Struktur und bilden so die Sm-Core-Domäne aus. Diese Domäne stellt das strukturelle Grundgerüst aller spleißosomalen snRNPs dar, wobei die einzelnen Sm Proteine in der Reihenfolge SmE-SmG-SmD3-SmB-SmD1-SmD2-SmF von dem ersten zum siebenten Nukleotid der Sm-Bindungsstelle der snRNA angeordnet werden. Die einzelnen Positionen des Sm Proteine in der Sm core Domäne sind nicht austauschbar.
Die Biogenese der snRNPs erfolgt in vivo in einem mehrphasigen Prozess, der mit der Transkription der snRNA und deren Export ins Zytoplasma beginnt. In diesem Kompartiment werden Sm Proteine synthetisiert und anschließend auf die snRNA übertragen. Nach der Bildung der Sm-Core-Domäne und diversen Modifikationen der snRNA erfolgt der Kern Transport und die Integration in das Spleißosom.
Vor dem Einbau in snRNPs existieren die Sm Proteine als spezifische Hetero-Oligomere im Zytoplasma. Obwohl die Assoziation dieser Proteine mit snRNA in vitro spontan erfolgt, erfordert dieser Prozess in vivo die Unterstützung von zwei großen makromolekularen Funktionseinheiten, den PRMT5-und SMN-Komplexen. Die frühe Phase der Zusammenlagerung von snRNPs wird maßgeblich durch den PRMT5-Komplex, und hier speziell durch seine pICln-Untereinheit beeinflusst. Dieses Protein fungiert als sogenanntes Assembly-Chaperon, da es die Sm Proteine zu funktionellen Bausteinen zusammenfügt ohne selbst ein snRNP Baustein zu sein. Sm Proteine werden anschließend direkt von pICln als vorgefertigte Einheiten auf den SMN-Komplex übertragen. Der SMN-Komplex befreit die Sm Proteine von einer kinetischen Falle, die durch die Bindung von pICln an Sm Proteinen hervorgerufen wird und ermöglicht deren Transfer auf die snRNA. Obwohl die Wirkungsweise von SMN- und PRMT5-Komplexe bei der Zusammenlagerung von snRNPs in Grundzügen verstanden ist, bleibt es noch unklar, wie neu synthetisierte Sm Proteine Zugang zur Zusammenlagerungs-Maschinerie erhalten.
In dieser Arbeit habe ich eine neue Facette der Funktion von pICln bei der Zusammenlagerung von snRNPs aufgedeckt. Ich habe gezeigt, dass neu synthetisierte Sm Proteine nach ihrer Synthese am Ribosom gebunden bleiben. Ihre Freisetzung und Weiterverarbeitung im snRNP Biogeneseprozess wird durch pICln unterstützt. Hierbei bindet das Assembly-Chaperon kognate Sm-Hetero-Oligomere am Ribosom und überführt diese direkt in die folgende Zusammenlagerungsphase am PRMT5-Komplex. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass die frühe Bindung von pICln an Sm-Proteine deren spezifische Oligomerisierung sicherstellt und somit die Freisetzung ins Zytoplasma in freier, nicht Chaperon gebundener Form verhindert.
In einem zweiten Projekt, habe ich den Mechanismus der Zusammenlagerung des U7 snRNPs untersucht. Dieses Partikel ist an der Prozessierung des 3’-Endes von Replikations-abhängigen Histon mRNAs beteiligt. Eine biochemisches Merkmal des U7 snRNPs ist ihre einzigartige Sm-Core-Domäne, in der zwei kanonische Sm Proteine durch sogenannte "Sm-like" Proteine ersetzt werden. In meiner Promotion habe ich der grundsätzliche Frage adressiert wie diese "alternative" Sm-Core-Domäne des U7 snRNPs zusammengebaut wird. Ich konnte den experimentellen Nachweis erbringen, dass die Zusammenlagerung des U7 snRNPs und spleissosomalen snRNPs bemerkenswert ähnlich sind. Die Montage beider Teilchen hängt von den gleichen Faktoren ab und die mechanistischen Details sind ähnlich. Es scheint, dass die Ausbildung des 6S Komplexes, welches U7- beziehungsweise spleissosomale snRNPs spezifiziert, der massgebliche Schritt in der Bildung beider Partikel ist.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:9874 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Paknia, Elham |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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