German Title: Charakterisierung von Domänen der oskar 3\'UTR RNA mit Funktionen in der RNA Lokalisation und translationaler Repression

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Abstract

Induction of D.melanogaster germ cell formation depends on local activity of the maternal determinant Oskar at the posterior of the embryo. When Oskar is mis-expressed at the anterior, posterior structures develop ectopically, while absence of Oskar leads to loss of abdominal structures and germ cells. Spatial restriction of Oskar protein is achieved by enriching oskar mRNA in the oocyte, localising it to the posterior pole and by maintaining the mRNA translationally silencing during transport. The 3’UTR of oskar RNA contains elements for its translational repression and is, together with splicing, also required for posterior localisation. Intronless reporters bearing the oskar 3’UTR can also localise, however this is an indirect process involving hitch-hiking of the reporter RNA with endogenous oskar mRNA, to the posterior pole. We have analysed the molecular basis of the hitch-hiking process and tested its potential implication in regulation of endogenous oskar RNA in vivo. In vitro the oskar 3’UTR RNA forms RNA-RNA dimers via a specific RNA dimerisation domain. In vivo, this dimerisation domain is necessary - though not sufficient - for efficient hitch-hiking of 3’UTR-containing reporters with endogenous oskar mRNA to the posterior of the oocyte. In contrast, the dimerisation domain is not essential for oskar mRNA localisation. Surprisingly however, offspring of females expressing oskar RNA mutated in its dimerisation domain display patterning defects suggesting Oskar protein over-expression. Consistent with this, we found that in this oskar mutant the mRNA is prematurely and ectopically translated. This ectopic translation is suppressed when dimerisation is restored by co-expressing an oskar RNA bearing compensatory mutations that in vitro restore RNA dimerisation. My work thus revealed a direct role for RNA-RNA interaction in translational repression of oskar mRNA.

Translation of abstract (German)

Während der Oogenese und frühen Embryogenese von D. melanogaster bestimmt die lokale Aktivität des maternalen Oskar-Proteins, die Induktion der posterioren Strukturen Abdomen und Keimbahn. Fehlt Oskar-Aktivität, kann dies zu einem kompletten Verlust der posterioren Stukturen führen. Umgekehrt führt die Aktivität von Oskar-Protein am anterioren Pol zur Entwicklung von ektopischen Keimbahn und Abdomen. Verschiedene Mechanismen stellen eine räumlich begrenzte Aktivität des Oskar-Proteins sicher: Zunächst wird oskar-mRNA in der Eizelle angereichert und innerhalb der Eizelle anschließend am posterioren Ende konzentriert. Außerdem wird die Translation von noch unlokalisierter mRNA unterdrückt. Für diese Regulationsmechnismen ist der 3’UTR der oskar-mRNA essentiell. Für die Lokalisierung der mRNA am posterioren Pol ist außerdem das Spleißen an der Intron-Position 1 nötig. Allerdings wurde beobachtet, dass über eine indirekte Art der Lokalisierung Reporter-RNAs, die nur den oskar-3’UTR enthalten, ebenfalls den posterioren Pol erreichen können. In der vorliegenden Arbeit habe ich die molekulare Basis dieses indirekten Transportprozesses und seine mögliche Implikation für die Regulation von endogener oskar-mRNA in vivo untersucht. In vitro kann die oskar-3'UTR-Sequenz über eine RNA-Sekundärstruktur intermolekulare Dimere bilden. Ich konnte zeigen, dass die Dimerisierungsdomäne in vivo tatsächlich an den indirekten Transportprozessen der 3’UTR-Reporter-RNAs innerhalb der Eizelle beteiligt ist. Für den aktiven Transport von endogener oskar-mRNA ist die Dimerisierungsdomäne hingegen nicht nötig. Überraschenderweise zeigten jedoch Embryos, welche die mutierte Version der oskar-mRNA tragen, Musterbildungsdefekte, die auf eine Überexpression des Oskar-Proteins hindeuten. Tatsächlich konnte ich sowohl in den Embryos als auch schon in den Oozyten der Mutanten erhöhte Menge an Oskar-Protein nachweisen und außerdem zeigen, dass das Oskar-Protein in der Entwicklung ektopisch und verfrüht translatiert wird. Als nächstes habe ich zwei mRNAs zeitgleich exprimiert, die zueinander komplementäre Mutationen in der Dimerisierungsdomäne aufweisen. In vitro erlauben diese Mutationen eine Wiederherstellung der Dimerisierung. Auf diesem Weg konnte ich die embryonalen Fehlbildungen fast vollständig unterdrücken. Zusammenfassend konnte ich zeigen, dass die Interaktion von oskar-mRNAs in vivo direkt an der Unterdrückung der Translation beteiligt ist.