| License: Creative Commons Attribution 4.0 (8MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-442477
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.44247
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 3 December 2020 |
| Referee: | Prof. Dr. Joachim Griesenbeck |
| Date of exam: | 26 November 2020 |
| Institutions: | Biology, Preclinical Medicine > Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie > Lehrstuhl für Biochemie III > Dr. Joachim Griesenbeck |
| Projects (Historical): | SFB 960 |
| Keywords: | ribosome biogenesis, RNP, rRNA processing, ribosome assembly, Noc3 |
| 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: | 44247 |
Abstract (English)
Ribosomes are macromolecular ribonucleoprotein (RNP) particles that catalyze the translation of mRNA into proteins in all living cells in all kingdoms of life. The ongoing production of ribosomes ensures the availability of a sufficient amount of proteins, which are required for various cellular processes. Ribosome biogenesis represents a highly energy consuming and complex process. Starting in ...
Abstract (English)
Ribosomes are macromolecular ribonucleoprotein (RNP) particles that catalyze the translation of mRNA into proteins in all living cells in all kingdoms of life. The ongoing production of ribosomes ensures the availability of a sufficient amount of proteins, which are required for various cellular processes. Ribosome biogenesis represents a highly energy consuming and complex process. Starting in the nucleolus, RNA polymerase I and III transcribe the ribosomal RNA (rRNA) encoding genes to generate precursor rRNAs, which undergo a series of processing, folding, modifying and assembly events in the course of maturation. In the yeast Saccharomyces cerevisiae, 79 ribosomal proteins (RPs), four rRNAs, several snoRNAs and more than 150 transiently acting biogenesis factors operate in a concerted and highly dynamic network to generate the mature ribosomal subunits.
During the past decades, a lot of effort has been made to elucidate and further understand the synthesis of ribosomes as paradigm of RNP biogenesis. Extensive research on this field has produced detailed characterization of ribosome biogenesis factors like the maturation step for which they are crucial for or the molecular function they exert. Nevertheless, the role of many factors remains further and requires extensive further investigation.
The “Noc-proteins” belong to the broad group of biogenesis factors, which have been identified essential for large ribosomal subunit (LSU) maturation (Noc1p/2p/3p). Accompanying studies have indicated the existence of the dimeric complexes Noc1p/Noc2p and Noc2p/Noc3p, which possibly associate with early and intermediate LSU precursor particles, respectively.
In this study, focus was laid on the role of Noc3p. Single molecule cryo-EM revealed the association of Noc3p with subsets of different pre-ribosomal populations of intermediate maturation states. Thereby, a time interval for the association of Noc3p with pre-LSU particles could be deduced within a series of nuclear maturation steps. Simultaneously, first structural characterization could be obtained for the position of Noc2p, the Noc3p binding partner.
Furthermore, the basis of the time window, in which association of Noc3p with pre-ribosomes has been observed and the prerequisites for its recruitment and release to and off pre-LSUs has been explored. The results revealed that both recruitment and release of Noc3p depends on the pre-ribosomal assembly state. The varying impact of the single ribosomal proteins (r-proteins) has been discussed in regard to their known binding sites in LSU particles.
Applying a versatile tethered tertiary structure probing approach allowed investigation of possible structural alterations that impact or postpone the timely related release of Noc3p. Indeed, an impeded release could be backtracked to an altered conformational state of pre-LSU domain III upon knock-down of particular r-proteins.
Finally, structure-based mutagenesis of Noc3p helped to reveal sites within the protein that are essential for the formation of the heterodimer with Noc2p as well as for the association with the pre-LSU.
Further studies will be necessary to figure out the binding mode of Noc3p to pre-ribosomes and to which extent it might as well rely on the presence of Noc2p. For this, structural information on Noc2p as whole would greatly help to further address this issue. Altogether, the results presented in this work allow to hypothesize towards a role of Noc3p as sensor for LSU biogenesis and provide a solid base for further investigation.
Translation of the abstract (German)
Ribosomen sind makromolekulare Ribonukleoprotein- (RNP) Partikel, die in allen lebenden Zellen und in allen Bereichen des Lebens vorkommen. Sie katalysieren die Translation von mRNA zu Proteinen. Die kontinuierliche Produktion von Ribosomen stellt letztlich die Verfügbarkeit von Proteinen in ausreichend hohen Mengen für verschiedene zelluläre Prozesse sicher. Bei der Ribosomenbiogenese handelt ...
Translation of the abstract (German)
Ribosomen sind makromolekulare Ribonukleoprotein- (RNP) Partikel, die in allen lebenden Zellen und in allen Bereichen des Lebens vorkommen. Sie katalysieren die Translation von mRNA zu Proteinen. Die kontinuierliche Produktion von Ribosomen stellt letztlich die Verfügbarkeit von Proteinen in ausreichend hohen Mengen für verschiedene zelluläre Prozesse sicher. Bei der Ribosomenbiogenese handelt es sich um einen komplexen Prozess, der mit hohem Energiebedarf verbunden ist. Die Synthese von Ribosomen beginnt im Nukleolus, in dem die RNA Polymerasen I und III die ribosomalen RNA (rRNA) kodierenden Gene transkribieren und so Vorläufer-rRNAs generieren. Diese durchlaufen während ihres Reifungsverfahrens eine Vielzahl an Prozessierungs-, Faltungs-, Modifizierungs- und Assemblierungsschritten. In der Hefe Saccharomyces cerevisiae wirken 79 ribosomale Proteine (RPs), vier rRNAs, einige snoRNAs und mehr als 150 Biogenesefaktoren in einem abgestimmten und hochdynamischen Netzwerk zusammen, um die reifen ribosomal Untereinheiten zu erzeugen. Die Biogenesefaktoren interagieren dabei transient in einem definierten Zeitfenster mit den prä-ribosomalen Partikeln. Im Laufe der vergangenen Jahrzehnte wurde viel Aufwand betrieben, um dieses Paradigma der RNP-Biogenese weiter aufzuklären und zu verstehen. Umfangreiche Forschung auf diesem Feld hat dazu beigetragen, das Detailwissen zu ribosomalen Biogenesefaktoren zu erweitern. Dies schließt beispielsweise den Reifungsschritt ein, für welchen sie benötigt werden oder ihre molekulare Funktion. Nichtsdestotrotz bleibt die Rolle vieler dieser Faktoren bis dato schwer definierbar, was weitere intensive Untersuchungen erfordert.
Die „Noc-Proteine“ gehören als solche zu dieser großen Gruppe der Biogenesefaktoren. Sie wurden ursprünglich als essentielle Faktoren für die Reifung der großen ribosomalen Untereinheit (LSU) identifiziert (Noc1p/2p/3p). Begleitende Studien haben die Existenz eines Noc1p/Noc2p- und eines Noc2p/Noc3p- Dimers aufgedeckt, welche möglicherweise jeweils mit frühen und intermediären LSU-Partikeln assoziiert sind.
In der vorliegenden Arbeit wurde der Fokus auf die Rolle von Noc3p gelegt. Ergebnisse aus Kryo-Elektronenmikroskopie auf Einzelmolekülebene deuten auf die Assoziation von Noc3p mit einer Teilmenge an verschiedenen prä-ribosomalen Populationen eines intermediären Reifungszustandes hin. Dadurch konnte ein Zeitintervall über den Verlauf einiger nukleären Reifungsschritte definiert werden, für diese eine Assoziation mit Noc3p beobachtet werden konnte. Gleichzeitig gab es erste strukturelle Hinweise auf die Position von Noc2p, dem Bindungspartner von Noc3p.
Um die Basis, die dieses Zeitfenster definiert, weiter zu verstehen, wurden die Voraussetzungen für die Rekrutierung und die Freisetzung von Noc3p im Kontext von prä-LSU Partikel genauer untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sowohl die Rekrutierung als auch die Freisetzung von Noc3p vom prä-ribosomalen Assemblierungszustand abhängig sind. Die unterschiedlichen Einflüsse der einzelnen ribosomalen Proteine (r-Proteine) wurden in Bezug auf deren bekannte Bindungsstellen in LSU-Partikeln diskutiert.
Die Anwendung eines vielseitig einsetzbaren Ansatzes zur Strukturanalyse ermöglichte die Untersuchung etwaiger struktureller Veränderungen, die die zeitlich gesteuerte Freisetzung von Noc3p beeinflussen oder gar verzögern. Tatsächlich konnte dabei eine beeinträchtigte Freisetzung von Noc3p beobachtet werden, welche sich auf konformationelle Änderungen in der prä-LSU Domäne III als Konsequenz der Abwesenheit bestimmter r-Proteine zurückverfolgen ließ.
Letztlich konnten durch strukturbasierte Mutagenese von Noc3p Bereiche innerhalb dieses Proteins identifiziert werden, die unabdingbar für die Bildung des Heterodimers mit Noc2p und für die Assoziation mit prä-Ribosomen sind.
Weitere Studien werden nötig sein, um die Bindung von Noc3p an prä-Ribosomen genauer aufzuklären, insbesondere zu welchem Ausmaß hierfür Noc2p erforderlich ist. Hierfür wären strukturelle Daten zu Noc2p als Ganzes sehr hilfreich. Insgesamt erlauben die in der vorliegenden Arbeit präsentierten Ergebnisse eine Hypothese über die Rolle von Noc3p als Sensor für die LSU Biogenese. Dies bietet eine solide Basis für zukünftige Untersuchungen.
Metadata last modified: 03 Dec 2020 07:48
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