The mechanism of nonsense-mediated mRNA decay

Tese de mestrado em Bioquímica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015A expressão genética representa uma das vias mais complexas e importantes para a célula, que culminam na síntese proteica. Como tal, quaisquer erros que possam surgir durante estes eventos podem ser rapidamente amplificados e terem um impacto severo na célula. Portanto surgiram diversos mecanismos de controlo de qualidade para assegurar a fidelidade da expressão genética. Entre estes mecanismos está o decaimento do mRNA mediado por mutações nonsense (na sigla inglesa NMD – nonsense mediated decay) que permite rapidamente degradar transcritos que contenham codões de terminação de tradução prematuros (na sigla inglesa PTC – premature translation termination codon), reduzindo a sua abundância1. A eliminação destes transcritos anómalos evita a formação e acumulação de proteínas truncadas no C-terminal potencialmente tóxicas que, caso contrário, danificariam a célula. Assim, o NMD tem um papel protector contra erros genéticos, muitos dos quais originam PTCs. Recentemente, tem-se tornado óbvio que o NMD tem um papel mais abrangente, não só funcionando como mecanismo de controlo de qualidade da expressão genética, mas também apresenta uma importante função na regulação de transcritos fisiológicos2,3. De facto foi demonstrado que o NMD controla a abundância de 3 a 10% de todo o transcriptoma em Saccharomyces cerevisiae, Drosophila melanogaster e em Homo sapiens, pois estes transcritos possuem várias características que os tornam sensíveis à acção do NMD4. Nas células humanas, este mecanismo envolve a acção dos factores UPF1 (upframe shift), UPF2, UPF3 e dos factores SMG1 (suppressor with morphogenetic effects on genitalia), SMG5, SMG6 e SMG75. O NMD é activado assim que um PTC é identificado. Os factores UPF1, UPF2, UPF3 e SMG1 são recrutados e interagem com o ribossoma e com os factores de terminação de tradução eRF3 e eRF1 (eukaryotic release factor), formando o complexo DECID (decay inducing complex)6,7. Este complexo estimula a fosforilação do UPF18, o que conduz ao recrutamento dos factores SMG5/SMG7 ou SMG6, que activam a degradação do ácido ribonucleico (RNA) pela acção de exossomas5. Grande parte da pesquisa sobre o mecanismo do NMD tem-se focado na forma como este mecanismo diferencia um PTC de um codão de terminação normal. De acordo com o modelo prevalente, nas células dos mamíferos a capacidade do NMD reconhecer um PTC depende dos complexos de junção exão-exão (na sigla inglesa EJC). Os EJC são complexos multiproteicos depositados a 20 a 24 nucleótidos (nt) de distância a montante dos locais de excisão de intrões (junções exão-exão) durante o splicing do mRNA precursor9. Estes complexos mantêm-se associados ao mRNA durante o seu transporte para o citoplasma, servindo como marcadores dos locais de excisão de intrões e também como plataformas de ligação dos factores do NMD, UPF2 e UPF310–12. Durante o primeiro ciclo da tradução, se o transcrito não tiver PTC, o complexo ribossomal dissocia os EJCs para fora da grelha de leitura até chegar ao codão de terminação. No entanto, se o transcrito possuir um PTC e este se localizar a pelo menos 50 a 55 nt de distância a montante da última junção exão-exão, a elongação é terminada prematuramente e pelo menos um EJC fica associado ao mRNA13. Nestas condições, o EJC facilita o recrutamento e a interacção dos factores do NMD (UPF1, UPF2 e UPF3) com o complexo ribossomal, activando o NMD. Por outro lado, se o PTC se localizar depois desta fronteira localizada a 55 nts a montante da última junção exão-exão, o ribossoma consegue remover todos os EJCs, que não poderão, assim, desencadear a degradação do transcrito14. Contudo esta regra posicional do EJC não explica todos os transcritos susceptíveis de serem degradados por NMD. Existem transcritos que mesmo estando nas condições previstas pelo modelo (i.e.: no qual o PTC está localizado a pelo menos 50-55 nt de distância a montante da última junção exão-exão), conseguem resistir à acção do NMD, como é o caso de mRNAs que contenham PTC próximos do codão de iniciação15. De facto, verificou-se que existem outras características do mRNA, para além dos EJC, que influenciam a activação do NMD. Por exemplo, trabalhos feitos pelo grupo laboratorial onde este projecto experimental foi desenvolvido, apontam para a distância física entre um PTC e a proteína citoplasmática de ligação à cauda poli-A do mRNA (na sigla inglesa PABPC1) como sendo um factor que afecta a activação do NMD16. Foi demonstrado que a PABPC1 consegue interagir com a proteína eRF3 e pensa-se que a PABPC1 é necessária para estimular um processo de terminação correcto e eficiente17,18. Para além disso, a PABPC1 consegue competir com a UPF1 pela ligação ao eRF3, inibindo o NMD, mesmo na presença de um EJC a jusante16,19. Propôs-se assim um novo modelo: se o ribossoma ao chegar ao PTC ficar fisicamente perto da PABPC1, ocorre terminação correcta e não há indução do NMD. No caso em que o ribossoma ao chegar ao PTC não possa interagir com a PABPC1, a UPF1 interage com o complexo eRF3/eRF1 e inicia-se o NMD11. Portanto, tendo em consideração este modelo e sabendo que o mRNA adquire uma conformação circular devido à interacção do factor eucariótico de iniciação 4G (na sigla inglesa eIF4G) com a estrutura cap na extremidade 5’, a PABPC1, o complexo eIF3 e o ribossoma, pode-se colocar a hipótese de a PABPC1 ser arrastada para a vizinhança do codão de iniciação pelo ribossoma durante o scanning. Nestas condições a PABPC1 encontra-se próxima o suficiente para competir com a UPF1, caso ocorra terminação prematura na vizinhança do codão de iniciação, permitindo assim explicar a resistência ao NMD dos transcritos contendo PTCs próximos do codão de iniciação. Esta tese teve como objectivo testar esta hipótese. Procedeu-se á construção de plasmídeos necessários para estudar a interacção do PABPC1 com o ribossoma. Os plasmídeos contêm a sequência da β-globina (que origina um pequeno transcrito de três exões cujas mutações nonsense já foram extensivamente descritas) e várias repetições da sequência do sítio de ligação da cápside do bacteriófago MS2. Estas sequências são aptámeros de RNA naturais que em conjunto com uma proteína recombinante contendo o N-terminal da proteína da cápside do MS2 e um anticorpo específico, permitem a imunoprecipitação selectiva destes transcritos e de qualquer proteína associada. A construção dos plasmídeos foi iniciada usando um processo de SOEing PCR. O factor de iniciação da tradução eIF3 é um complexo multiproteico que interage com o ribossoma e a proteína eIF4G, funcionando como um ponte entre os dois durante o processo de iniciação da tradução. Trabalhos feitos pelo nosso grupo laboratorial mostraram que as subunidades eIF3h e eIF3f podem estar envolvidas na interacção do ribossoma com a PABPC1 (através da eIF4G)20 e portanto podem ser necessárias ao deslocamento da PABPC1 para a vizinhança do codão de iniciação pelo ribossoma. Para testar o papel das subunidades eIF3h e eIF3f na ligação entre o complexo ribossomal 40S e a PABPC1 (através do eIF4G), isolou-se por imunoprecipitação, utilizando anticorpos anti-eIF3h ou eIF3f, os complexos ribonucleoproteícos (na sigla inglesa mRNPs) de células HeLa tratadas com RNAs de interferência (na sigla inglesa siRNA) específicos para as subunidades eIF3h ou eIF3f, respectivamente. Os imunoprecipitados foram testados por Western Blot para detectar a presença de PABPC1, eIF4G e proteínas do ribossoma. Nas imunoprecipitações de mRNPs de células HeLa tratadas com siRNAs para a subunidade eIF3f, verificou-se uma ligeira diminuição dos níveis proteicos tanto da PABPC1 como do eIF4G, suportando um modelo no qual a eIF3f é responsável pela aproximação do complexo PABPC1/eIF4G ao ribossoma. Já a imunoprecipitação de mRNPs de células tratadas com siRNA para a subunidade eIF3h, não se observaram variações significativas na expressão da proteína eIF4G e não foi detectada a proteína PABPC1. Contudo a ausência de sinal da PABPC1 pode ter ocorrido devido à perca de proteína durante a remoção dos anticorpos para reutilização da membrana de PVDF. Além disso, a eficiência do silenciamento das subunidades não foi satisfatória, resultando numa diminuição pouco apreciável dos níveis proteicos de eIF3h ou eIF3f. Assim sendo, tanto o processo de imunoprecipitação e o método de silenciamento devem ser optimizados para que se possam tirar conclusões definitivas.Nonsense-mediated mRNA decay (NMD) is a quality control pathway that recognizes and rapidly degrades mRNAs containing a premature termination codon (PTC). The prevalent model, proposes that in mammals a translation termination codon is generally interpreted as premature if it is localized more than 50-55 nucleotides upstream of the last exon-exon junction. In these circumstances, during translation, the ribosome is not able to displace the exon junction complexes (EJCs) located downstream of the PTC; thus, when the ribosome reaches the PTC stalls and triggers NMD. However, it has been reported that mRNAs containing PTCs in close proximity to the translation initiation codon (AUG proximal PTCs) can substantially evade NMD, despite the presence of downstream EJCs. Recently, it was demonstrated that the cytoplasmatic poly(A)-binding protein 1 (PABPC1) is capable of inhibiting NMD when placed close to a PTC, even in the presence of EJCs. Taking this into account and that the mRNA acquires a circular conformation due to the interactions of PABPC1 with the scaffold protein eIF4G at the 5’-Cap, eIF3 (eukaryotic initiation factor 3) and the 40S ribosome, we believe that the PABPC1 is relocated into the AUG vicinity during 40S ribosome scanning. In these conditions the PABPC1 would be placed near AUG proximal EJCs and could be able to prevent NMD activation. To prove this hypothesis, we tried to construct by SOEing PCR, the necessary plasmids to demonstrate how PABPC1 is relocated to the AUG vicinity and that the interaction of PABPC1 and eIF4G with the ribosome remains stable during the first steps of elongation. Furthermore, we explored the eIF3h and eIF3f subunits role in bridging the 40S ribosome and the PABPC1/eIF4G complex. For that, HeLa cells were treated with specific short interfering RNAs for these eIF3 subunits and immunoprecipitation assays were performed with antibodies against eIF3h and f, respectively, to test the proteins, such as PABPC1, eIF4G and ribosomal proteins. However, the subunits silencing was not satisfactory and therefore, the knockdown procedure should be optimized before any decisive conclusions can be reached