Strukturní studie torpédových terminačních komplexů

Mgr. Alžbeta Dikunová, Ph.D.

Disertační práce

Structural study of torpedo termination complexes

Anotace:

Ukončení transkripce má zásadní význam pro určeníkonkrétní genetické informace uložené v DNA, protože určuje hranice jednotlivých transkripčních jednotek. U kvasinek existují dva modelové způsoby, jak je organizována terminace genů kódujících mediátorovou RNA (mRNA): alosterický a torpédový model. Torpédový model předpokládá, že nechráněný volný 5'-konec transkriptu mRNA je štěpený nukleázou, dokud se „nesrazí“s RNA polymerázou II (RNAPII), což vede k její disociaci od mRNA templátu. Studie na kvasinkách ukázaly, že tento volný 5'-konec RNA slouží jako vstupní bod pro Rat1, 5'-3' exonukleázu. Komplex Rat1—Rai1 stimulovaný svým kofaktorem Rai1 výrazně stimuluje spontánní terminaci. Přesný mechanismus popisující, jak je komplex RR rekrutován do místa transkripce, a jak je pak RNAPII uvolňována z DNA, prozatím není znám. Poznatky naznačují, že torpédový komplex je rekrutován pomocí Rtt103 proteinu, který rozpoznává fosforylační značky Ser2 anebo Thr4 na RNAPII. To nám umožňuje vyslovit hypotézu, že Rtt103 pomáhá rekrutovat 5'-3' RNA terminační mechanismus do místa transkripce. Vzhledem k variacím komplexů Rat1—Rai1—Rtt103 v mezofilních a termofilních organismech jsme se rozhodli prozkoumat, zda a jak se tyto komplexy sestavují u mezofilních Saccharomyces cerevisiae a termofilního Chaetomium thermophilum. Pomocí kombinace strukturně biologických technik včetně elektronové kryogenní mikroskopie (cryo-EM), gelové permeační chromatografie, hmotnostní spektrometrie s příčnými vazbami (XL-MS) a nukleární magnetická rezonance (NMR) jsme odhalili rozdíly v tom, jak se oba torpédové komplexy sestavují u těchto studovaných organismů. Naše výsledky naznačují, že termofilní organismy přizpůsobily protein-protein rozhraní tak, aby upřednostňovaly přítomnost vysoce strukturovaných prvků, zatímco mezofilní organismy využívají také nestrukturované prvky.

Abstract:

Transcription termination is essential for delineating the genetic information stored in DNA, as it establishes the boundaries of transcriptional units. In yeast, there are two model pathways how the termination of mRNA coding genes is organized: allosteric and torpedo models. The torpedo model considers that the unprotected free 5'-end of the mRNA transcript is digested by nuclease until it collides with RNA polymerase II (RNAPII), leading to dissociation from the template. Studies in the yeasts showed that exposed free 5'-end of RNA serves as an entry point for Rat1, a 5'-3' exonuclease. Stimulated by its cofactor Rai1, the Rat1/Rai1 (RR) complex facilitates spontaneous termination. However, the exact mechanism of how the RR complex is recruited to the site of transcription and how RNAPII is released from the DNA is unknown. Findings also suggest that the torpedo complex is recruited by Rtt103, recognizing Ser2 or Thr4 phosphorylation marks of RNAPII. This allows us to hypothesize that Rtt103 helps to recruit the 5'-3' RNA termination machinery to the site of transcription. Due to the variations in Rai1—Rat1—Rtt103 complexes in mesophilic and thermophilic organisms, we set out to investigate whether and how these complexes assemble in mesophilic Saccharomyces cerevisiae and thermophilic Chaetomium thermophilum. Using a combination of structure biology techniques including cryoEM, size exclusion chromatography, cross-linking mass spectrometry (XLMS), and NMR we reveal differences of how the two torpedo complexes assemble in mesophilic and thermophilic yeasts. Our observations suggest that thermophilic organisms have adapted protein-protein interfaces to favor the presence of highly structured elements, whereas mesophilic organisms also utilize unstructured elements that fold upon binding to their interaction partners.

Keywords

terminace, eukaryotická RNAPII, torpédo, kryo-EM, NMR, kvasinky, mezofilní organismus, termofilní organismus, struktura proteinu, proteinový komplex, termination, eukaryotic RNAPII, cryo-EM, yeasts, mesophilic organism, thermophilic organism, protein structure, protein complex

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 22. 1. 2025

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 3. 2. 2025
• Vedoucí: prof. Mgr. Richard Štefl, Ph.D.
• Oponent: doc. RNDr. Karel Berka, Ph.D., prof. RNDr. Ivana Kutá-Smatanová, Ph.D., Dr. Anton Meinhart

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Vědy o živé přírodě / Vědy o živé přírodě