Комплекс TREX-2-ORC D. melanogaster участвует в ядерном экспорте МРНК гистонов
- Авторы: Куршакова М.М.1, Якушева Ю.А.1, Георгиева С.Г.1
-
Учреждения:
- Институт Молекулярной Биологии им. В. А. Энгельгардта Российской Академии Наук
- Выпуск: Том 514, № 1 (2024)
- Страницы: 44-49
- Раздел: Статьи
- URL: https://journal-vniispk.ru/2686-7389/article/view/258934
- DOI: https://doi.org/10.31857/S2686738924010089
- EDN: https://elibrary.ru/KTUYXA
- ID: 258934
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Белковый комплекс TREX-2-ORC D. melanogaster необходим для экспорта большей части синтезирующихся молекул поли(А)-содержащей мРНК из ядра в цитоплазму через ядерные поры. Однако, роль данного комплекса в экспорте других групп РНК остается неизвестным. Нами показано, что TREX-2-ORC участвует в ядерном экспорте мРНК гистонов: он ассоциирован с мРНП частицами гистонов, связывается с мРНК гистона H3 в 3’-концевой части кодирующей области и участвует в экспорте мРНК гистонов из ядра в цитоплазму.
Ключевые слова
Полный текст
Экспрессия генов состоит из нескольких этапов: синтез мРНК, формирование зрелой мРНП частицы и экспорт мРНК из ядра в цитоплазму через ядерные поры. Экспортный рецептор NXF1 рекрутируется на мРНК через адаптерные белки, которые могут связываться с мРНК во время транскрипции, сплайсинга, формирования 3’-конца, внутриядерного транспорта мРНП к ядерным порам. NXF1 образует гетеродимер с белком p15 (гетеродимер Mex67-Mtr2 в дрожжах). Гетеродимер рецептора ядерного экспорта обеспечивает транслокацию мРНК через ядерную пору, взаимодействуя с нуклеопоринами, содержащими FG-повторы.
Одним из ключевых регуляторов экспорта мРНК является белковый комплекс TREX-2. Гомологичные TREX-2 комплексы были охарактеризованы у многих эукариот, в том числе у дрожжей и у человека. TREX-2 способен связываться с мРНК, ассоциируется с ядерными порами и необходим для экспорта мРНК в различных организмах [1–7]. Комплекс TREX-2 D. melanogaster состоит из белков Xmas-2, PCID2, ENY2, Sem1p [8]. Белок Xmas-2 служит платформой для сборки комплекса, с ним взаимодействуют остальные белки. Ранее в нашей группе был очищен общий комплекс TREX-2 с белками ORC (Origin Recognition Complex) и показана роль ORC субъединиц в экспорте мРНК из ядра [9]. ORC комплекс был впервые описан у почкующихся дрожжей как комплекс, который связывается с ориджинами репликации и участвует в привлечении комплекса Mcm2–7. Впоследствии гомологичные комплексы были обнаружены и у других организмов [10]. Однако было обнаружено, что у высших эукариот ORC комплекс и его отдельные субъединицы выполняют множество различных функций, не связанных с репликацией, в частности, показано взаимодействие белков ORC c различными РНК [11]. В нашей группе было показано, что белки ORC взаимодействуют с мРНП частицами и это взаимодействие опосредовано комплексом TREX-2. Было показано, что субъединицы ORC взаимодействуют с рецептором экспорта NXF1 и необходимы для связывания NXF1 с мРНП частицей. Нокдаун компонентов ORC, так же как нокдаун компонентов TREX-2, приводит к нарушению экспорта поли(А)-содержащей РНК (мРНК) из ядра. Таким образом, было показано, что белковый комплекс TREX-2-ORC D. melanogaster привлекает экспортный рецептор NXF1 в состав мРНП частиц и является ключевым участником экспорта основной части синтезирующихся молекул мРНК [9]. В данной работе была поставлена задача исследовать участие TREX-2-ORC в экспорте неполиаденилируемых мРНК, кодируемых генами репликационно-зависимых гистонов.
мРНК репликационно-зависимых генов гистонов синтезируются в начале S фазы клеточного цикла и являются единственными мРНК эукариот, которые не подвергаются полиаденилированию [12]. В дальнейшем для краткости мы будем именовать их просто мРНК гистонов. Пре-мРНК гистонов не содержат интронов, их созревание включает в себя только кэпирование и эндонуклеолитическое расщепление 3’-конца. На 3’-конце пре-мРНК гистонов содержат шпилечную структуру и HDE-элемент, которые направляют сборку специфического аппарата процессинга [13]. Со шпилькой связывается белок SLBP (stem-loop binding protein). С HDE-последовательностью ассоциируется 5’-конец U7 мяРНК, которая образует U7 мяРНП вместе с белковым комплексом, состоящим из белков сплайсосомы Sm, в котором два белка SmD1 и SmD2 заменены на белки Lsm10 и Lsm11. У млекопитающих белок Lsm11 взаимодействует своим протяженным N-концом с N-концевой областью белка FLASH. Общая поверхность FLASH c Lsm11 привлекает на U7 мяРНП комплекс процессинга HCC (histone cleavage complex), содержащий факторы Symplekin, CPSF73, CPSF100, CPSF160, WRD33, Cst64. Расщепление пре-мРНК гистонов осуществляется эндонуклеазой CPSF73 на расстоянии 4–5 нуклеотидов от шпильки. После расщепления зрелые мРНК гистонов быстро экспортируются из ядра в цитоплазму. Несмотря на специфическое строение мРНК гистонов было показано, что они также экспортируются при помощи рецептора NXF1 [14, 15]. В данной работе мы показали, что комплекс TREX-2-ORC, ассоциирован с мРНП частицами гистонов, связывается с мРНК гистона H3 в 3’-концевой части кодирующей области и участвует в экспорте мРНК.
TREX-2-ORC комплекс ассоциирован с мРНП частицами гистонов
Была поставлена задача исследовать взаимодействие комплекса TREX-2-ORC c мРНП частицами гистонов. Ранее в очищенном общем TREX-2-ORC комплексе были найдены ORC субъединицы Orc1, Orc3, Orc4, Orc5, Orc6 [9]. Взаимодействие комплекса с мРНП гистонов было протестировано для TREX-2 субъединиц Xmas-2, PCID2, ENY2 и для ORC белков Orc3, Orc5, Orc6. Для этого был применен метод соосаждения РНП частиц антителами (RIP) из ядерного экстракта S2 клеток. Антитела к белкам – компонентам TREX-2 и ORC эффективно осаждали мРНК генов гистонов Н2А и Н3 (рис. 1, а), что указывает на взаимодействие комплекса ТREX-2-ORC с мРНП частицами данных гистонов. Аналогичные данные были получены для мРНК Н4 и Н2В. В качестве положительного контроля показано взаимодействие ТREX-2-ORC с поли(A)-содержащей мРНК β-тубулина, которое было продемонстрировано ранее [9].
Далее взаимодействие было подтверждено с помощью альтернативного подхода: мРНП частицы, содержащие транскрипт гена H3, выделяли из ядерного экстракта S2 клеток при помощи биотинилированного антисмыслового РНК-зонда к мРНК гистона H3 (рис. 1, б). Антисмысловой РНК-зонд специфически ассоциируется с соответствующей эндогенной РНК в экстракте, осаждая РНП частицу. Связавшие с РНК-зондом мРНП частицы осаждали из экстракта при помощи стрептавидин-агарозы, белки мРНП анализировали при помощи Вестерн-блот анализа с антителами к компонентам TREX-2 и ORC. В качестве отрицательного контроля проводили осаждение с антисмысловой последовательностью к РНК белка YFP (K-). Субъединицы комплексов TREX-2 и ORC, белки Xmas-2, PCID2, ENY2, Orc3, Orc6, а также факторы процессинга CPSF73, CPSF100 соосаждались с H3 мРНП, но отсутствовали в отрицательном контроле. Таким образом, комплекс TREX-2-ORC способен ассоциироваться с мРНП частицами гистонов.
Рис.1. TREX-2-ORC ассоциирован с мРНК гистонов. (а) Результаты иммуноосаждения мРНП частиц генов H2A, H3 и β-tubulin антителами к субъединицам TREX-2-ORC, в качестве отрицательного контроля использованы IgG. Результаты представлены в процентах от исходного материала. Все данные представлены как среднее ± стандартное отклонение, для сравнения контроля и эксперимента использовался t-критерий Стьюдента. (*) указывает на статистическую значимость с p-value <0.05, (**) указывает на статистическую значимость с p-value < 0.01. (б) Вестерн-блот анализ сосаждения H3 мРНП частиц с биотинилированным антисмысловым РНК-зондом к мРНК гистона H3 с использованием антител к Xmas-2, PCID2, ENY2, Orc3, Orc6, CPSF100, CPSF73. В отрицательном контроле (K-) использован РНК-зонд с антисмысловой последовательностью к РНК белка YFP. (в) Вестерн-блот анализ соосаждения белков с биотинилированными смысловыми РНК-зондами к последовательностям мРНК гистона H3: полноразмерной (H3), CDS1, CDS2, 3’UTR, с использованием антител к Xmas-2, PCID2, ENY2, Orc3, Orc6, CPSF100, CPSF73. В отрицательном контроле (K-) использован РНК-зонд с антисмысловой последовательностью к РНК YFP.
TREX-2-ORC ассоциируется с мРНК H3 в 3’-концевой части кодирующей области
С целью локализовать участок мРНК H3, с которым ассоциируется TREX-2-ORC, биотинилированные смысловые РНК-зонды, соответствующие различным участкам последовательности РНК H3 инкубировали с ядерном экстрактом S2 клеток и далее определяли связавшиеся с РНК-зондами белки. Зонды соответствовали полноразмерному (H3), N- и С-концевым участкам кодирующей области длиной 411 нт (CDS1: 1–204 нт и CDS2: 204–411 нт, соответственно) и 3’-нетранслируемой области пре-мРНК H3 (3’UTR: 412–595 нт) (рис. 1в). Белки Xmas-2, PCID2, Orc3 и Orc6 преимущественно ассоциировались с CDS2 последовательностью. Использованные в качестве контрольных факторы процессинга CPSF73, CPSF100 ассоциировались с 3’UTR зондом, в котором содержатся шпилечная структура и HDE-элемент, направляющие сборку аппарата процессинга, что подтверждает специфичность выявленных взаимодействий. ENY2 соосаждался как с CDS2, так и с 3’UTR РНК-зондом, что можно объяснить свойством ENY2 привлекаться в различные белковые комплексы. Белки не взаимодействовали с контрольным РНК-зондом. Таким образом, белки TREX-2-ORC комплекса ассоциируются с кодирующей последовательностью РНК гистона Н3 в 3’-концевой части кодирующей области.
TREX-2-ORC участвует в экспорте мРНК гистонов
Затем мы исследовали участие TREX-2-ORC в экспорте мРНК гистонов из ядра в цитоплазму. Белок Xmas-2 является платформой, с которой ассоциированы остальные белки TREX-2-ORC комплекса: PCID2 ассоциирован с областью Xmas-2 вблизи GANP-домена, EYN2 – c CID-доменом Xmas-2, из всех ORC субъединиц комплекса Orc3 сильнее всего связывается Xmas-2, взаимодействуя вместе с ENY2 с С-концом Xmas-2 [16, 17].
Поэтому с целью снизить уровень TREX-2-ORC комплекса был проведен нокдаун Xmas-2 в S2 клетках методом РНК-интерференции. При нокдауне Xmas-2 уровень экспрессии белка значительно снижался, при этом уровни экспрессии субъединиц PCID2, ENY2, Orc3, Orc6 заметно не изменялись (рис. 2, а). Методом RIP-анализа было исследовано, нарушает ли нокдаун Xmas-2 взаимодействие TREX-2-ORC с мРНП гистонов. Нокдаун Xmas-2 приводил к уменьшению количества ассоциированных с мРНК гистонов как Xmas-2, так и белков PCID2, ENY2, Orc3, Orc6, то есть к уменьшению связывания TREX-2-ORC с мРНП частицами гистонов. Результаты приведены для H3 мРНК (рис. 2, б).
Рис. 2. Эффект нокдауна субъединиц TREX-2-ORC на экспорт мРНК гистонов. (а) Вестер-блот анализ уровней экспрессии белков при РНК-интереференциях Xmas-2, Orc3 в S2 клетках при помощи соответствующих антител. В качестве выравнивающего контроля использовано окрашивание антителами к ламину Dm0. (б) Результаты иммуноосаждения мРНП частиц гистонов при РНК-интереференции Xmas-2 c антителами к субъединицам TREX-2- ORC, в качестве отрицательного контроля использованы IgG. Результаты представлены в процентах от исходного материала. Все данные представлены как среднее ± стандартное отклонение, для сравнения контроля и эксперимента использовался t-критерий Стьюдента. (*) указывает на статистическую значимость c p-value < 0.05, (**) указывает на статистическую значимость c p-value<0.01. (в) Вестерн-блот анализ РНК-интереференций Xmas-2, Orc3, NXF1 с использованием антител к одноименным белкам. В качестве выравнивающего контроля использовано окрашивание антителами к ламину Dm0. (г) FISH-гибридизация с антисмысловой РНК-пробой к H3 мРНК при РНК-интереференциях (РНКи) Xmas-2, Orc3, NXF1 в S2 клетках. В качестве отрицательного контроля (Контроль) проведена РНК-интерференция c дцРНК белка GFP. (д) Доля S2-клеток с нарушениями экспорта H3 мРНК при нокдаунах Xmas-2, Orc3, NXF1 или GFP (Контроль).
Далее было исследовано, как влияет нарушение взаимодействия мРНК гистона Н3 с TREX-2-ORC комплексом на ее экспорт из ядра в цитоплазму. Для этого был проведен анализ распределения мРНК Н3 в клетках S2 при нокдауне ключевых для взаимодействия комплекса с NXF1 и мРНП частицей субъединиц Xmas-2 и Orc3 методом флуоресцентной in situ гибридизации (FISH) с DIG-меченой антисмысловой РНК-пробой к кодирующей последовательности гена H3 (рис. 2, г, 2, д). Так как мРНК гистонов синтезируется в S фазе и подвергается деградации после окончания S фазы, FISH-сигнал мРНК детектировался только в части клеток. В контрольном эксперименте FISH-сигнал H3 мРНК детектировался в основном в цитоплазме клеток. Нокдаун NXF1 приводил к задерживанию H3 мРНК в ядре, как и было показано в литературе [15]. Нокдаун Xmas-2 и нокдаун Orc3 также приводили к нарушениям экспорта мРНК в некоторой части клеток с H3 FISH-сигналом (около 20–30 %): накоплению РНК в ядре или равномерному распределению между ядром и цитоплазмой. (рис. 2г, 2д). Таким образом, снижение количества TREX-2-ORC, связанного с мРНП частицами гистонов, приводит к нарушению ядерного экспорта их мРНК. То, что нарушение экспорта наблюдается только в части клеток можно объяснить тем, что в привлечении NXF1 на мРНК гистонов кроме комплекса TREX-2-ORC участвуют и другие адаптеры: SR-белки 9G8 и SRp20 [18] и белок ALYREF [19].
Ранее мы показали, что TREX-2-ORC комплекс ассоциируется с основным рецептором экспорта NXF1 и служит адаптером для связывания NXF1 с поли-А-содержащими мРНК генов [9]. мРНК гистонов экспортируются при помощи NXF1 [15]. Мы показали, что TREX-2-ORC комплекс входит в состав мРНП и связывается с неполиаденилируемыми мРНК гистонов. То, что нокдаун комплексообразующих субъединиц TREX-2-ORC приводит к нарушению связывания комплекса с мРНК гистонов и нарушению их экспорта в некоторой части S2 клеток, позволяет предположить, что TREX-2-ORC также служит одним из адаптеров для NXF1-зависимого экспорта неполиаденилируемых мРНК гистонов, возможно, участвуя в экспорте на определенном этапе регуляции экспрессии в ходе клеточного цикла.
Ранее было обнаружено несколько адаптеров, через взаимодействие с которыми экспортный рецептор NXF1 привлекается на мРНК гистонов. В клетках млекопитающих и ооцитах лягушки было показано, что SR-белки 9G8 и SRp20 связываются со специфическим транспортным цис-элементом в кодирующей области H2A мыши [18]. В клетках человека основной экспортный адаптер ALYREF связывается с гистоновой мРНК в области, расположенной с 5’-конца от места расщепления, с пиком в области 50 нт[19]. По нашим данным TREX-2-ORC также преимущественно связывается с мРНК гистонов в 3’-концевой части кодирующей области. Но в то время, как связывание ALYREF с мРНК гистонов происходит котранскрипционно и ассоциировано с посадкой аппарата процессинга [19], TREX-2-ORC может привлекаться в мРНП гистонов не в ходе транскрипции, а на более позднем этапе экспортного пути мРНП частиц в ядре от сайтов транскрипции до ядерных пор. На это указывают данные о том, что нокдаун компонентов TREX-2 не влияет на процессинг поли(А)-содержащих модельных мРНК [20].
ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ
Работа была выполнена при поддержке гранта РНФ № 22-24-00721.
СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ
Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с использованием животных в качестве объектов.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Конфликт интересов отсутствует.
Об авторах
М. М. Куршакова
Институт Молекулярной Биологии им. В. А. Энгельгардта Российской Академии Наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: kursha@mail.ru
Россия, Москва
Ю. А. Якушева
Институт Молекулярной Биологии им. В. А. Энгельгардта Российской Академии Наук
Email: kursha@mail.ru
Россия, Москва
С. Г. Георгиева
Институт Молекулярной Биологии им. В. А. Энгельгардта Российской Академии Наук
Email: kursha@mail.ru
академик РАН
Россия, МоскваСписок литературы
- Fischer T., Strasser K., Racz A., et al. // The EMBO journal. 2002. V. 21. № 21. P. 5843–5852.
- Rodríguez-Navarro S., Fischer T., Luo M. J., et al. // Cell. 2004. V. 116. № 1. P. 75–86.
- Jani D., Lutz S., Hurt E., et al. // Nucleic acids research. 2012. V. 40. № 10. P. 4562–4573.
- Jani D., Lutz S., Marshall N. J., et al. // Molecular cell. 2009. V. 33. № 6. P. 727–737.
- Ellisdon A. M., Dimitrova L., Hurt E. and Stewart M. // Nature structural & molecular biology. 2012. V. 19. № 3. P. 328–336.
- Dimitrova L., Valkov E., Aibara S., et al. // Structure. 2015. V. 23. № 7. P. 1246–1257.
- Jani D., Valkov E., Stewart M. // Nucleic acids research. 2014. V. 42. № 10. P. 6686–6697.
- Kurshakova M. M., Krasnov A. N., Kopytova D. V., et al. // The EMBO journal. 2007. V. 26. № 24. P. 4956–4965.
- Kopytova D., Popova Vol., Kurshakova M., et al. // Nucleic acids research. 2016. V. 44. № 10. P. 4920–4933.
- Bleichert F. // Current opinions in structural biology. 2019. V. 59. P. 195–204.
- Popova Vol., Brechalov A. // Nonreplicative functions of the origin recognition complex. 2018. V. 9. P. 460–473.
- Duronio R. J., Marzluff W. F. // RNA biology. 2017. V. 14. № 6. P. 726–738.
- Sun Y., Zhang Y., Aik W. S., et al. // Science. 2020b. V. 367. P. 700–703.
- Huang Y., Gattoni R., Stevenin J. and Steitz J. A. // Molecular Cell. 2003. V. 11. P. 837–843.
- Erkmann J. A., Sanchez R., Treichel N., et al. // RNA. 2005. V. 11. P. 45–58.
- Popova Vol.V., Georgieva S. G., Kopytova D. V. // Biochemistry and molecular biology journal. 2016. V. 2. P. 2–14.
- Куршакова М. М., Копытова Д. В., Георгиева С. Г. // Доклады АН. 2021. Т. 496. С. 66–69.
- Huang Y., Steitz J. A. // Molecular Cell. 2001. V. 7. P. 899–905.
- Fan J., Wang K., Du X., et al. // The EMBO Journal. 2019.
- Kopytova D. V., Orlova A. V., Krasnov A. N., et al. // Genes and Development. 2009. V. 24. P. 86–96.
Дополнительные файлы
