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Identification of cis-regulatory mRNA localization elements in neurons
Abstract
Neuronen weisen eine einzigartige Morphologie auf, die durch ihre hohe zelluläre Polarität gekennzeichnet ist. Diese Polarität, die für ihre Funktionen entscheidend ist, wird durch asymmetrische Verteilungen von Proteinen und RNAs unterstützt. Wachsende Hinweise legen nahe, dass die Lokalisation von mRNA eine entscheidende Rolle bei der Proteinlokalisierung in Neuronen spielt. Darüber hinaus sind Störungen in der mRNA-Lokalisierung mit schweren neuronalen Erkrankungen verbunden, was die dringende Notwendigkeit betont, die zugrunde liegenden Mechanismen der Lokalisation zu klären. In dieser Arbeit habe ich cis-regulatorische Elemente innerhalb von RNAs untersucht, die diese zu spezifischen subzellulären Standorten lenken, und dabei zwei unterschiedliche Ansätze verwendet. Der erste Ansatz zielte darauf ab, neuronale Zipcodes - Sequenzen in RNAs, die zur subzellulären Lokalisierung beitragen - systematisch zu identifizieren. Um dieses Ziel zu erreichen, habe ich eine neue Methode zur Kartierung von Zipcodes in 3' UTRs von RNAs entwickelt, die in Neuriten angereichert sind, indem ich eine neuronale Kompartiment-Trenntechnik und massiv parallele Reporterassays kombinierte. Mit dieser Methode identifizierten wir den let-7 miRNA-Bindungsplatz und das (AU)n-Motiv als neuartige Zipcodes in primären kortikalen Neuronen. Der zweite Ansatz konzentrierte sich darauf, die Rolle der RNA-Stabilität bei der mRNA-Lokalisierung zu untersuchen. Durch räumliches SLAM-seq habe ich unterschiedliche Halbwertszeiten von mRNAs, die in den Somata und in den Neuriten lokalisiert sind, bewertet. Die Ergebnisse zeigten längere Halbwertszeiten für mRNAs, die in Neuriten lokalisiert sind, was auf einen potenziellen Lokalisierungsmechanismus über unterschiedliche RNA-Stabilitätsprofile hinweist. Anschließend haben meine Kollegen und ich den Beitrag verschiedener RNA-Deaktivierungselemente wie m6A und AU-reiche Elemente zur RNA-Lokalisierung untersucht. Die Ergebnisse enthüllten einen Mechanismus, bei dem Transkripte von Haushaltsgenen durch Verringerung der Deaktivierungselemente in Neuriten lokalisiert werden. Neurons exhibit unique morphology, characterized by their high cellular polarity. This polarity, crucial for their functions, is supported by asymmetric distributions of proteins and RNAs. Growing evidence suggests that mRNA localization plays a pivotal role in protein localization in neurons. Moreover, disruptions in mRNA localization are associated with severe neuronal disorders, highlighting the critical need to elucidate the underlying mechanisms of localization. In this thesis, I investigated cis-regulatory elements within RNAs that direct them to specific subcellular sites, using two distinct approaches. The first approach aimed to systematically identify neuronal zipcodes - sequences in RNAs that contribute to subcellular localization. To achieve this objective, I developed a novel methodology for mapping zipcodes across 3’ UTRs of RNAs enriched in neurites, combining neuronal compartment separation technique and massively parallel reporter assays. Using this method, we identified the let-7 miRNA binding site and (AU)n motif as de novo zipcodes in primary cortical neurons. The second approach focused on investigating the roles of RNA stability in mRNA localization. Through spatial SLAM-seq, I assessed differential half-lives of mRNAs localized to soma and neurites. The findings revealed longer half-lives for mRNAs localized in neurites, indicating a potential mechanism of localization via distinct RNA stability profiles. Subsequently, my colleagues and I investigated the contribution of different RNA destabilization elements, such as m6A and AU-rich elements, to the RNA localization. The results revealed a mechanism where transcripts with housekeeping functions localize to neurites through depletion of the destabilization elements.
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