Definition der Regeln für die Zielerkennung und -regulation durch Roquin in vivo

• Antragstellerin: Professorin Dr. Julia Erika Weigand
• Fachliche Zuordnung: Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Biochemie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443239947

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Posttranskriptionelle Genregulation ist entscheidend für die korrekte zeitliche und strikte Kontrolle der Genexpression. Im Falle einer Fehlregulation ist sie die zugrundeliegende Ursache verschiedenster Pathologien. Auf mRNA-Ebene wird diese Kontrolle durch cisregulatorische Elemente vermittelt, welche in den nicht-translatierten Regionen codiert sind. Diese Elemente werden von RNA-bindenden Proteinen (RBPs) aufgrund ihrer Sequenz und/oder Struktur erkannt. Die Bindung eines RBPs an eine Ziel-mRNA kontrolliert z.B. deren Stabilität. Die immunregulatorischen Roquin-Proteine sind von zentraler Bedeutung um Entzündungsreaktionen zeitlich zu begrenzen, indem sie mRNAs destabilisieren, welche proinflammatorische Proteine codieren. Roquin-Proteine kennzeichnet ihre einzigartige Erkennung der Form von RNA-Stammschleifen, den sogenannten CDEs (constitutive decay elements) und ADEs (alternative decay elements). CDEs sind Stammschleifen mit einer Trinukleotid-Schleife, ADEs tragen eine Hexanukleotid-Schleife. Welche Sequenzen genau die Bindung von Roquin-Proteinen und damit eine Destabilisierung von mRNAs vermitteln ist dabei unklar. Weiterhin werden in der Literatur auch Stammschleifen mit anderen Schleifengrößen als Bindemotiv für Roquin-Proteine diskutiert. Dies weist auf mehrere neue, noch undefinierte, cis-regulatorische Elemente hin, welche für die effiziente mRNA-Repression durch Roquin entscheidend sind. Darüber hinaus ist die Bedeutung des flankierenden Sequenzkontextes am Roquin-vermittelten mRNA-Abbau unklar. Neben der einzigartigen ROQ-Domäne, welche die Stammschleifen in Ziel-mRNAs erkennt, kodieren Roquin-Proteine auch für eine Zinkfinger-Domäne (ZnF) mit unbekannter RNA-Bindepräferenz. Mit Hilfe von RNA Bind-n-Seq (RBNS) haben wir die RNA-Bindepräferenz sowohl der ROQ-Domäne als auch des ZnF systematisch charakterisiert. Wir konnten dadurch neue CDE- und ADE-Motive aufdecken, welche effizient Roquin-Bindung in vitro vermitteln. Weiterhin konnten wir zeigen, dass diese Motive auch in vivo die mRNA-Stabilität steuern und damit neue bona fide Roquin Ziel-mRNAs identifizieren. Darüber hinaus haben wir Wechselwirkungen zwischen Roquinvermitteltem mRNA-Abbau und ARE (AU-reiche Elemente)-vermitteltem Abbau untersucht, beides wichtige Modulatoren von Entzündungsreaktionen. Wir konnten zeigen, dass AU-reiche CDEs in ihrer ungefalteten Form mit RBPs interagieren können, welche lineare AU-reiche Sequenzen erkennen, was auf eine duale Funktion dieser CDEs im mRNA-Abbau schließen lässt. Interessanterweise erkennt auch der ZnF AU-reiche Sequenzen, welche im Zusammenspiel mit Stammschleifen zur Bindung von Roquin an Ziel-mRNAs beitragen. Insgesamt konnten wir die RNA-Bindepräferenz eines zentralen Immunregulators im Detail aufklären sowie einen Grundstein für die zentrale Funktion von RNA-Strukturen im mRNA-Metabolismus legen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Structural basis for the recognition of transiently structured AU-rich elements by Roquin. Nucleic Acids Research.
  Binas, Oliver; Tants, Jan-Niklas; Peter, Stephen A.; Janowski, Robert; Davydova, Elena; Braun, Johannes; Niessing, Dierk; Schwalbe, Harald; Weigand, Julia E. & Schlundt, Andreas
  
• mRNA-Strukturen steuern die posttranskriptionelle Genregulation. BIOspektrum, 27(4), 351-354.
  Lichtenthaeler, Chiara; Oberstrass, Lasse & Weigand, Julia E.
  
• Heterogenous nuclear ribonucleoprotein D-like controls endothelial cell functions. Biological Chemistry, 405(4), 229-239.
  Fischer, Sandra; Lichtenthaeler, Chiara; Stepanenko, Anastasiya; Heyl, Florian; Maticzka, Daniel; Kemmerer, Katrin; Klostermann, Melina; Backofen, Rolf; Zarnack, Kathi & Weigand, Julia E.
  
• Arid5a uses disordered extensions of its core ARID domain for distinct DNA- and RNA-recognition and gene regulation.
  von Ehr, Julian; Oberstrass, Lasse; Yazgan, Ege; Schnaubelt, Lara Ina; Blümel, Nicole; McNicoll, Francois; Weigand, Julia E.; Zarnack, Kathi; Müller-McNicoll, Michaela; Korn, Sophie Marianne & Schlundt, Andreas
  
• Structure and RNA-binding of the helically extended Roquin CCCH-type zinc finger.
  Tants, Jan-Niklas; Oberstrass, Lasse; Weigand, Julia E. & Schlundt, Andreas