| License: Publishing license for publications excluding print on demand (4MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-198429
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.19842
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 4 March 2011 |
| Referee: | Prof. Dr. Herbert Tschochner and Prof. Dr. Michael Thomm and Prof. Dr. Wolfgang Seufert |
| Date of exam: | 7 February 2011 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie > Lehrstuhl für Biochemie III > Prof. Dr. Herbert Tschochner |
| Interdisciplinary Subject Network: | Not selected |
| Keywords: | Ribosome biogenesis, Pol I, Rrn3p, transcription, TOR, rapamycin, rRNA, ribosomal proteins |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 570 Life sciences |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 19842 |
Abstract (English)
Eukaryotic cell growth is tightly linked to the synthesis of new ribosomes, the molecular machineries responsible for protein production. The transcription of a ribosomal precursor RNA (pre-rRNA) by RNA polymerase I (Pol I) constitutes an initial and central step in the complex process of ribosome biogenesis and is therefore one of the main targets for regulation. The initiation of each round of ...
Abstract (English)
Eukaryotic cell growth is tightly linked to the synthesis of new ribosomes, the molecular machineries responsible for protein production. The transcription of a ribosomal precursor RNA (pre-rRNA) by RNA polymerase I (Pol I) constitutes an initial and central step in the complex process of ribosome biogenesis and is therefore one of the main targets for regulation. The initiation of each round of transcription is dependent on the formation of a complex between Pol I and the essential transcription factor Rrn3p. Subsequent processing of this precursor transcript yields three of the four mature ribosomal RNAs (rRNAs) forming a scaffold to which ribosomal proteins (r-proteins/RPs) assemble in the course of ribosome maturation.
Since ribosome biogenesis is one of the most energy-consuming cellular processes, eukaryotic cells cease the production of ribosomes very rapidly upon unfavorable growth conditions like nutrient deprivation in order to ensure survival. The conserved target of rapamycin (TOR)-pathway plays an essential role in both sensing environmental changes and mediating adequate cellular responses. Inhibition of TOR complex 1 (TORC1) induces an immediate drop in the synthesis rate of ribosomes. It was previously suggested that TOR inactivation interferes with ribosome synthesis in many ways, but it was unclear whether and how these processes are coordinated.
To distinguish between primary and secondary effects on ribosome biogenesis in the yeast Saccharomyces cerevisiae and to determine the target mediating the fast response to TOR inactivation, Pol I transcription and rRNA synthesis were investigated shortly after TOR inhibition by rapamycin. This drug mimics nutrient starvation of cells by specifically inactivating the kinase activity of TORC1. The following conclusions could be drawn:
1) A rather long-term response constitutes the decrease in the level of Rrn3p leading to less initiation-competent Pol I-Rrn3p complex formation and thus reduced Pol I transcription. Rrn3p is characterized by a short half-life which is due to its constitutive ubiquitin-dependent degradation. Consequently, the level of Rrn3p is quickly down-regulated when the neo-synthesis of the protein is inhibited.
2) The fast down-regulation of mature rRNA synthesis correlates with serious pre-rRNA processing defects and subsequent RNA degradation, but not with the inhibition of Pol I transcription, since the association of Pol I with the rRNA gene locus is yet unaltered and the Pol I molecules engaged in transcription are still mobile.
3) The quick down-regulation of r-protein synthesis is sufficient to explain the severe pre-rRNA processing defects. The strong decrease in general translation, presumably along with the specifically reduced transcription rate of ribosomal protein genes, seems to cause the drastic repression of r-protein production.
Since the level of Rrn3p appears to play a crucial role in Pol I transcription in yeast, this issue was investigated in more detail. Interestingly, already scarce amounts of Rrn3p are sufficient to promote Pol I transcription and cell growth, whereas strong overexpression of this factor results in growth defects. Elevated levels of Rrn3p lead to enhanced Pol I-Rrn3p complex formation, however, the question whether the growth defect is caused by the concomitantly observed increase in pre-rRNA-levels remains to be elucidated.
Finally, Pol5p, which was published to play an essential role in the synthesis of ribosomal RNA in yeast, co-purified with Rrn3p through several purification steps suggesting an interaction between the two proteins. However, further experiments provided only weak additional evidence for Pol5p as a genuine interaction partner of Rrn3p and failed to confirm the reported association of this protein with the rRNA gene locus. Therefore, further investigation is required to elucidate the role of Pol5p in ribosome biogenesis.
Translation of the abstract (German)
Das Wachstum eukaryotischer Zellen ist stark abhängig von der Synthese neuer Ribosomen, den molekularen Maschinerien, die für die Herstellung von Proteinen verantwortlich sind. Die Transkription einer ribosomalen Vorläufer-RNA (Prä-rRNA) durch die RNA Polymerase I (Pol I) stellt einen initialen und zentralen Schritt im komplizierten Prozess der Ribosomen-Biogenese dar und ist dadurch einer der ...
Translation of the abstract (German)
Das Wachstum eukaryotischer Zellen ist stark abhängig von der Synthese neuer Ribosomen, den molekularen Maschinerien, die für die Herstellung von Proteinen verantwortlich sind. Die Transkription einer ribosomalen Vorläufer-RNA (Prä-rRNA) durch die RNA Polymerase I (Pol I) stellt einen initialen und zentralen Schritt im komplizierten Prozess der Ribosomen-Biogenese dar und ist dadurch einer der Hauptangriffspunkte regulatorischer Vorgänge. Die Initiation jeder Transkriptionsrunde ist abhängig von der Komplexbildung zwischen Pol I und dem essenziellen Transkriptionsfaktor Rrn3p. Durch die anschließende Prozessierung dieses Vorläufer-Transkripts entstehen drei der vier reifen ribosomalen RNAs (rRNAs), die als Gerüst dienen, an welches die ribosomalen Proteine (r-Proteine/RPs) im Zuge der Ribosomen-Reifung assemblieren.
Da die Ribosomen-Biogenese einer der zellulären Prozesse ist, die am meisten Energie verbrauchen, stoppen eukaryotische Zellen die Ribosomen-Produktion sehr schnell bei ungünstigen Wachstumsbedingungen wie Nährstoffmangel, um ihr Überleben zu sichern. Der konservierte „target of rapamycin“ (TOR)-Signalweg spielt sowohl bei der Wahrnehmung von Umweltveränderungen als auch bei der Einleitung entsprechender Zellantworten eine entscheidende Rolle. Die Inhibierung des TOR-Komplex 1 (TORK1) induziert einen sofortigen Abfall in der Syntheserate von Ribosomen. Es ist zwar bekannt, dass die Inaktivierung des TOR-Signalwegs die Ribosomen-Biogenese auf mehreren Ebenen stört, doch ob und wie diese Prozesse koordiniert werden, ist unklar.
Um zwischen primären und sekundären Effekten auf die Ribosomen-Biogenese der Hefe Saccharomyces cerevisiae unterscheiden zu können, und um aufzuklären, was die schnelle Zellantwort auf die Inaktivierung des TOR-Signalwegs auslöst, wurde die Pol I-Transkription und die rRNA-Synthese kurz nach der Inhibierung des TOR-Signalwegs durch Rapamycin untersucht. Dieser Wirkstoff simuliert eine Nährstoffmangel-Situation für die Zellen, indem er spezifisch die Kinase-Aktivität von TORK1 inaktiviert. Die folgenden Schlussfolgerungen konnten gezogen werden:
1) Eine relativ langfristige Art der Regulation stellt das Absinken des Rrn3p-Niveaus dar, das zu einer verringerten Bildung an initiations-kompetenten Pol I-Rrn3p-Komplexen und dadurch zu einer reduzierten Pol I-Transkriptionsrate führt. Da Rrn3p aufgrund seines konstitutiven ubiquitin-abhängigen Abbaus eine kurze Halbwertszeit aufweist, wird das Rrn3p-Niveau schnell herunterreguliert, wenn die Neusynthese des Proteins inhibiert wird.
2) Der schnelle Rückgang in der Produktion an reifen rRNAs korreliert mit schwerwiegenden Defekten in der Prozessierung der Prä-rRNAs und deren anschließendem Abbau, nicht aber mit der Inhibierung der Pol I-Transkription, da noch keine Änderungen in der Assoziation von Pol I mit dem rRNA-Gen-Lokus detektierbar sind und die transkribierenden Pol I-Moleküle sich noch bewegen.
3) Allein der schnelle Rückgang in der Produktion von ribosomalen Proteinen reicht aus, um die erheblichen Defekte in der Prozessierung von Prä-rRNAs zu erklären. Das starke Absinken der Translationsrate, wahrscheinlich zusammen mit der reduzierten Transkriptionsrate spezifisch von ribosomalen Proteinen, scheint dem drastischen Rückgang in der Produktion von r-Proteinen zu Grunde zu liegen.
Da das Rrn3p-Niveau eine entscheidende Rolle in der Pol I-Transkription der Hefe zu spielen scheint, wurde dieser Sachverhalt genauer untersucht. Interessanterweise reichen schon geringe Mengen an Rrn3p aus, um die Pol I-Transkription und das Zellwachstum aufrechtzuerhalten, wohingegen eine starke Überexpression dieses Faktors zu Wachstumsdefekten führt. Erhöhte Mengen an Rrn3p bewirken verstärkte Pol I-Rrn3p-Komplexbildung. Die Frage jedoch, ob der Wachstumsdefekt durch den gleichzeitig detektierten Anstieg im Prä-rRNA-Niveau herrührt, bleibt noch zu klären.
Schließlich ließ sich Pol5p, dem eine essentielle Rolle in der Synthese von ribosomaler RNA in der Hefe zugeschrieben wird, zusammen mit Rrn3p über verschiedene Reinigungsschritte anreichern, was auf eine mögliche Interaktion dieser beiden Proteine hindeutet. Weitere Experimente lieferten jedoch nur schwache zusätzliche Hinweise für Pol5p als echten Interaktionspartner von Rrn3p und konnten zudem die beschriebene Assoziation dieses Faktors mit dem rRNA-Gen-Lokus nicht bestätigen. Daher sind weitere Untersuchungen nötig, um die Rolle von Pol5p in der Ribosomen-Biogenese zu klären.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 07:27
Owner only: item control page
Download Statistics