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Drosophila Ge-1 is an essential P-body component involved in oskar mRNAlocalization

Fan, Shih-Jung

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Abstract

Die asymmetrische Lokalisation von mRNA ist ein von eukaryotischen Zellen benutzter Mechanismus, um die Expression von Proteinen ganz gezielt und individuell zu regulieren und ermöglicht somit den Aufbau von interzellulären Polaritäten. Die posteriore Lokalisation von Oskar Protein - dem essentiellen Faktor für die Bildung der Keimbahnzellen und des Abdomens - im Drosophila Embryo ist entscheidend für die Entwicklung und wird weitgehend durch die Lokalisation des oskar Transkripts zum posterioren Pol erreicht. Am Transport der oskar mRNA sind viele Faktoren beteiligt, die auch an wichtigen post -transkriptionellen Prozessen wie der Kontrolle der Translation, der Degradation oder dem Spleißen des Transkripts beteiligt sind. Der genaue Mechanismus ist allerdings nach wie vor nicht verstanden. Eine erst kürzlich beschriebene zelluläre Struktur , die Processing bodies (P-body), wurden als Depot für translationell inaktive mRNAs charakterisiert. In P-bodies sind zahlreiche Proteine engereichert welche bekannte Funktionen in der Translationskontrolle und der mRNA Degradation haben. Obwohl e s Hinweise gibt, dass sowohl Repression als auch Degradation von mRNAs in P-bodies stattfindet, ist die genaue biologische Funktion noch unbekannt. Bemerkenswerterweise sind die P-body Komponenten dDcp1 (Drosophila decapping protein 1), Cup, und Dhh/Me31B auch in die Regulation der oskar mRNA involviert. Außerdem zeigten in vivo Experimente, dass der translationelle Repressor Br uno die Bildung von großen oskar mRNPs induzieren kann, die zahlreiche translationell repremierte oskar mRNAs enthalten. Diese Parallelität zwischen oskar RNPs and P-bodies, könnte auf eine enge Verwandtschaft dieser zwei Strukturen hindeuten. Im Focus der vorliegenden Arbeit steht das Protein Drosophila Ge-1(dGe-1). Eswurde bereits gezeigt, dass sein Säugetier Homolog essentiell für die Bildung von P-bodies ist. Ich konnte zeigen, dass das dGe-1 Protein mit der P-body Komponente dDcp1 assoziiert und mit P-bodies der Drosophila Keimbahn colokalisiert. Außerdem zeigten dGe-1 mutante Eikammern eine vollständige Inhibition der Bildung von P-bodies. Dies ist der erste in vivo Hinweis dass dGe-1 essentiel für die Bildung von P-bodies ist. Außerdem zeigten Embryos von dGe -1 mutanten Müttern Defekte bei der Entwicklung posteriorer Strukturen, die auf Defizite in der oskar mRNA Lokalisation zurückzuführen waren. Dieser Effekt konnte durch die Entfernung einer Kopie der oskar RNP Komponenten Staufen (Stau), dDcp1 und Barentsz (Btz) verstärkt werden, was auf ein Zusammenwirken dieser Proteine mit dGe -1 hindeutet. Mit immun-Elektronenmikroskopie konnte außerdem gezeigt werden, dass dGe -1 in oskar mRNA Partikeln angereichert ist, was den Schluss nahelegt, dass der Einfluss von dGe-1 auf die oskar Lokalisation direkt ist. Zusammenfassend konnte ich zeigen, dass dGe-1 essentiell für die in vivo Bildung von P-bodies und maßgeblich am oskar RNA Transport beteiligt ist. In dieser Arbeit konnte ich zeigen, dass dGe -1 in vivo essentiell für die Bildung von P-bodies ist und maßgeblich am oskar RNA Transport beteiligt ist. Außerdem lässt diese Beobachtung vermuten, dass P -body Komponenten an der post-transkriptionellen Kontrolle der oskar RNA beteiligt sind.

Translation of abstract (English)

Asymmetric localization of mRNAs is a highly conserved molecular mechanism to restrict protein expression that eukaryotic cells employ to achieve their polarized properties. In the Drosophila embryo, the posterior localization of Oskar protein, which instructs the development of the abdomen and pole cells in the embryo, is accomplished by first localizing oskar (osk) mRNA at the posterior pole of the oocyte. The localization of osk mRNA is mediated by trans-acting factors several of which have been shown to have roles in post-transcriptional regulation of RNA, such as splicing, translational control and degradation. However, most of the molecular mechanisms underlying osk mRNA localization are still unclear. Recently, a new cellular structure, named processing body (P-body), was described as a repository for translationally quiescent mRNAs in eukaryotes. Several proteins involved in translation repression and degradation of mRNA are enriched in P-bodies. Although there is evidence showing that P-bodies are the sites where mRNA decay and translation repression can occur, the biological function of these structures remain elusive. Strikingly, several proteins that reside in P-bodies are also involved in osk mRNA localization and translational control, such as dDcp1 (Drosophila decapping protein 1), Cup, and Dhh/Me31B. Moreover, in vivo, the translation repressor Bruno provokes the formation of heavy osk mRNPs, aggregates containing multiple osk mRNA molecules in a translationally repressed state. The functional similarity between osk RNPs and P-bodies and the fact that they share some components suggest a close relationship between these two RNA-containing structures. In order to get more insight into osk mRNA regulation, I focused on Drosophila Ge-1, dGe-1, whose mammalian homologue has been shown to be crucial for the formation of P-bodies in cells. During the course of this study, I have shown that dGe-1 protein localizes to P-bodies in the fly germline and associates with the P-body component dDcp1. In addition, the formation of P-bodies is completely disrupted in dGe-1 mutant egg-chambers, providing the first in vivo evidence that dGe-1 is required for the P-body formation. Interestingly, some of the embryos derived from dGe-1 mutant mothers exhibited posterior patterning defects, suggesting a role of dGe-1 in osk mRNA regulation. Confirming this, examination of the distribution of osk mRNA in the oocyte revealed that its posterior localization is affected in the dGe-1 mutant. Moreover, the osk mRNA mislocalization phenotype observed in the dGe-1 mutant was enhanced by removal of a wild-type copy of the osk mRNP components Staufen (Stau), dDcp1 and Barentsz (Btz), suggesting that dGe-1 acts in conjunction with these three proteins in osk mRNA localization. Furthermore, immuno-electron microscopy revealed that dGe-1 is enriched on osk mRNA granules, suggesting that the effect of dGe-1 on osk localization is direct. Taken together, the findings I have made have revealed the in vivo importance of dGe-1 protein in P-body assembly and in osk mRNA localization. The approach taken here also provides a new strategy for analyzing osk mRNA regulation through the study of key components of P-bodies or other types of RNA granules.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hentze, Prof. Dr. Matthias
Date of thesis defense: 7 October 2009
Date Deposited: 10 Nov 2009 10:06
Date: 2009
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 570 Life sciences
Uncontrolled Keywords: Drosophila , oogenese , oskarDrosophila , oogenesis , oskar
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