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Mutually Exclusive CBC and CBC-ARS2 Containing Complexes Coordinate the Fate of RNA Polymerase II Transcripts

Schulze, Wiebke Manuela

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Abstract

RNA Polymerase II (Pol II) transcripts comprise many different RNA classes that undergo co-transcriptionally complex maturation processes including the addition of a 5' cap structure, removal of introns via splicing, 3' end processing and the assembly into transport competent ribonucleoprotein particles. How all these processes are coordinated, regulated and quality controlled, is a central question in RNA biology. One of the processes all Pol II transcripts have in common is the addition of a cap structure to the 5’ end. This 5’ cap structure is immediately bound by the heterodimeric cap binding complex CBC comprising subunit CBP80 and the cap binding subunit CBP20. The cap structure as well as CBC are crucial for the correct processing of the nascent transcript. The subsequent maturation processes including the involved processing machineries depend on the RNA class. However, some proteins like NELF-E (negative elongation factor subunit E) and ARS2 (arsenite-resistance protein 2) seem to associate with the RNA-CBC complex regardless of the type of RNA, whereas other CBC interacting proteins like the phosphorylated adaptor for RNA export PHAX are important for distinct RNAs.

To better understand the individual CBC complexes, different biochemical, biophysical and structural methods were used to analyse the individual interactions between CBC and ARS2, PHAX as well as NELF-E on molecular level. The studies showed the incompatibility of ARS2 and NELF-E binding to CBC and revealed that both proteins are sharing the same binding site on CBC and that their interacting residues show high conservation and similarities. In addition, solving the structure of human ARS2 allowed the identification of domains and residues involved in RNA and protein-protein interactions. Further analysis also led to the identification of a novel CBC-ARS2 complex, including the nuclear cap binding protein NCBP3, namely CBC-ARS2-NCBP3. The results obtained support the hypothesis that ARS2 serves as additional binding surface for proper sorting and processing of nascent transcripts. Additionally, all results together enable to propose a model of RNA processing containing mutually exclusive RNA-CBC complexes based on the RNA maturation stage as well as the RNA class.

Translation of abstract (German)

Viele verschiedene RNA Klassen werden von der RNA Polymerase II (Pol II) synthetisiert. All diese Pol II Transkripte durchlaufen co-transkriptional zahlreiche komplexe Reifungsprozesse wie die Modifikation des 5' Endes durch Anfügen einer Cap Struktur, das Entfernen von Introns durch Spleißen, die 3' Ende Modifizierung und die Bildung von Transport-kompetenten Ribonukleoprotein-Partikeln. Wie all diese Prozesse koordiniert, reguliert und kontrolliert werden ist eine zentrale Frage innerhalb der RNA Biologie. Eine Weiterverarbeitung haben alle Pol II Transkripte gemeinsam: die Addition der Cap Struktur am 5’ Ende. Diese 5’ Cap Struktur wird sofort von dem Cap bindenden Komplex CBC gebunden, welcher aus CBP80 und CBP20 besteht. Die Cap Struktur genauso wie CBC ist essentiell für die korrekte Weiterverarbeitung des entstehenden Transkriptes. Die weiteren Reifungsprozesse und die damit verbundenen Prozessierungskomplexe sind abhängig von der RNA Klasse. Allerdings scheinen einige Proteine wie NELF-E (Untereinheit E von NELF (negative elongation factor)) und ARS2 (arsenite-resistance protein 2) den RNA-CBC Komplex unabhängig von der RNA Art zu binden, während andere Proteine wie der snRNA Export Adapter PHAX spezifisch für individuelle RNA Klassen sind.

Um die individuellen CBC Komplexe besser zu verstehen, wurden die Interaktionen zwischen CBC und ARS2, PHAX und NELF-E durch verschiedene biochemische, biophysikalische und strukturbiologische Methoden auf molekularem Level untersucht. Die Studien zeigten, dass die Interaktion von ARS2 und NELF-E mit CBC nicht kompatibel ist und dass dies durch eine gemeinsame Bindungsstelle von NELF-E und ARS2 an CBC verursacht wird. Zudem weisen die CBC-ARS2 und CBC-NELF-E Interaktionen viele Gemeinsamkeiten auf. Die mittels Kristallographie determinierte Struktur des humanen ARS2 diente der Identifikation von Domänen und Aminosäureresten, die in RNA-Protein und Protein-Protein Interaktionen beteiligt sind. Dies führte unter anderem zu der Entdeckung eines neuen CBC-ARS2 Komplexes, dem CBC-ARS2-NCBP3 Komplex. Des Weiteren unterstützen all diese Ergebnisse ein Model der RNA Weiterverarbeitung, in dem sich, abhängig von dem Reifegrad der RNA und der RNA Klasse, gegenseitig ausschließende RNA-CBC Komplexe bilden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Cusack, Dr. Stephen
Date of thesis defense: 13 September 2017
Date Deposited: 09 Nov 2017 10:33
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
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