Cell biology and molecular transport mechanisms (Council of Medical and Biological Sciences)
50 %
General biochemistry and metabolism (Council of Medical and Biological Sciences)
25 %
Ortelius classification: Molecular biology
Epigenetics and gene regulation (Council of Medical and Biological Sciences)
25 %
Panel
Genetics, Genomics, Bioinformatics and Systems Biology
Department or equivalent
Agricultural Biotechnology Institute (ABC) (National Agricultural Research and Innovation Centre)
Participants
Auber, Andor Szádeczky-Kardoss, István
Starting date
2014-01-01
Closing date
2018-08-31
Funding (in million HUF)
41.001
FTE (full time equivalent)
6.89
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A normál eukarióta génműködéshez nélkülözhetetlenek a génexpresszió minőségbiztosítási rendszerei. Mivel a mRNS érés nagyon komplex folyamat, az evolúció során legalább négy a hibás mRNS-eket felismerő és lebontó RNS-szintű eukarióta minőségbiztosítási rendszer alakult ki. Ezek a rendszerek a hibaelhárító funkció mellett a normál génszabályozásban is fontos szerepet tölthetnek be. Az RNS silencing rendszer a kétszálú RNS-eket (illetve a velük homológiát mutató nukleinsavakat) bontja le, míg a nonsense-mediated decay (NMD) rendszer a korai stop kodont hordozó hibás transzkriptumokat degradálja. A No-Go decay (NGD) rendszer a riboszomák haladását megakadályozó struktúrákat-szekvenciákat tartalmazó mRNS-ek, míg a nonstop decay (NSD) rendszer a stop kodon nélküli mRNS-ek lebontásában játszik szerepet. Bár az RNS silencing rendszert növényekben is igen intenzíven kutatják, a növényi NMD-ről jóval kevesebbet tudunk. Az NGD és NSD rendszereket növényekben még nem írták le. A legújabb eredmények alapján úgy tűnik, hogy növényekben az RNS silencing és az NMD minőségbiztosítási rendszerek fontos szerepet játszhatnak a kórokozók elleni védekezés szabályozásában. A program során a különböző RNS-szintű minőségbiztosítási rendszerek patogének elleni védekezésben betöltött szerepet szeretnénk tanulmányozni, illetve fel kívánjuk tárni a növényi NGD és NSD rendszerek működését és biológia szerepét.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A növények leghatékonyabb védelmi rendszere az R-gén rendszer. Ez a rassz-specifikus, indukálható védelmi rendszer gyakran hiperszenzitív válaszhoz, sejthalálhoz vezet. A növények nagyszámú R-gént kódolnak. Mivel az R-gének túltermelése még patogén hiányában is spontán sejthalálhoz vezethet, az R-gén expresszió szigorúan szabályozott. A legújabb eredmények szerint, Burgonyafélékben (de pl. Arabidopsisban nem) a miR482 mikro RNS család folyamatosan negatívan regulálja az R-gének expresszióját. Ugyanakkor vírus vagy baktérium fertőzésre a miR482 szint leesik, az R-gén expresszió megemelkedik. Úgy tűnik, Arabidopsisban az NMD tölt be hasonló negatív regulátor szerepet. Az NMD-mutáns Arabidopsisokban az R-gének expressziója magas, és Pseudomonas fertőzésre az NMD aktivitás csökken. Feltételezésünk szerint az NMD más növényekben is fontos szerepet játszik a patogén válasz szabályozásában. A program során genom-szintű transzkriptóm analízis segítségével azonosítani kívánjuk egy Solenaceae és egy monocot növény NMD regulálta mRNS készletét, ezért NMD-deficiens dohány és rizs vonalakat hozunk létre, majd elvégezzük ezek genom szintű transzkriptóm elemzését. Feltételezzük, hogy az NGD és az NSD rendszerek, hasonlóan a silencing és NMD RNS-szintű minőségbiztosítási rendszerekhez, szintén fontos szerepet játszhatnak a patogén válasz szabályozásában. A korábban általunk kidolgozott tranziens rendszerek segítségével feltárjuk az NSD és NGD rendszerek működését, és egy létrehozandó NGD deficiens növény transzkriptóm analízise során meghatározzuk az NGD szabályozta mRNS készletet.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A program -siker esetén- alapvetően járulhat hozzá a növényi RNS-szintű minőségbiztosítási rendszerek működésével és biológiai funkciójával kapcsolatos ismereteinkhez. A program során új, NMD-deficiens dohány és rizs vonalakat hozunk létre, majd elvégezzük ezek teljes összehasonlító transzkriptóm elemzését. Korábban hasonló genom szintű transzkriptóm elemzések segítségével igazolták, hogy Arabidopsisban az NMD rendszer a hibaelhárító funkció mellett részt vesz a patogének elleni védekezés szabályozásában, a mRNS-szerű nem-kódoló transzkriptumok regulációjában, az alternatív splicing kontrolljában és a rövid uORF-eket hordozó mRNs-ek szabályozásában is. A dohány, rizs (és Arabidopsis) NMD-deficiens vonalak összehasonlító transzkriptóm elemzése révén azonosíthatjuk a konzervált NMD célpontokat, illetve azonosíthatjuk a faj (vonal) specifikus NMD funckciókat. Ezek a kísérletek igazolják azt is, hogy az NMD általánosan rész vesz-e a patogének elleni védekezés szabályozásában, vagy ez egy Arabidopsis specifikus jelleg. A létrehozandó NMD deficiens vonalak a további NMD kutatások számára is igen fontos eszköznek bizonyulhatnak. A program során leírjuk az NGD és NSD rendszerek működését növényekben, és azonosítjuk az NGD szabályozta géneket. Ezek lehetnek az első lépések a növényi NGD és NSD rendszerek biológia szerepének megértéséhez. Eredményeinket legalább három magasan jegyzett nemzetközi közleményben kívánjuk bemutatni. A program sikere a nemesítők számára is hasznos lehet, hiszen a patogének elleni védekezés molekuláris alapjainak jobb megértése új, hatékonyabb nemesítése programok kidolgozásához vezethet.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A normál génműködéshez nélkülözhetetlenek az RNS-szintű minőségbiztosítási rendszerek, amelyek megakadályozzák, hogy hibás fehérjék keletkezhessenek. A minőségbiztosítási rendszerek a hibaelhárító funkciójuk mellet a génszabályozásban is részt vesznek. Az elmúlt két-három év eredményei alapján úgy tűnik, hogy egyes növényekben az RNS szintű minőségbiztosítási rendszerek a kórokozók elleni védekezésben is igen fontos szerepet töltenek be. Munkánk során ennek részleteit és biológia jelentéségét szeretnénk tisztázni.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. In eukaryotes various quality control systems have evolved to ensure the fidelity of gene expression. As maturation of the eukaryotic mRNAs is highly complex process several quality control systems monitor the mRNAs to identify and eliminate the aberrant transcripts. In eukaryotes, four RNA quality control systems, the RNA silencing, the nonsense-mediated mRNA decay (NMD), the no-go decay (NGD) and the nonstop decay (NSD) systems have been described. These systems identify and degrade different aberrant transcripts. In addition to eliminating the aberrant transcripts, the RNA quality control systems frequently play important role in the regulation of normal transcripts. RNA silencing identifies and eliminates double-stranded transcripts (and silences the homologous nucleic acids) but it also degrades non-polyadenylated or non-capped aberrant mRNAs. The NMD system degrades aberrant transcripts having premature termination codons (PTC), while NGD degrades mRNAs containing ribosome stopping structures or sequences in the coding region. NSD eliminates faulty mRNAs lacking the stop codon. In plants, the RNA silencing system is intensively studied, while the NMD system is relatively poorly characterized. The NGD and the NSD systems have not been described in plants yet. Recent results suggest that in plants, RNA silencing and NMD systems are involved in the control of pathogen responses. During this program we want to clarify how the different RNA quality control systems regulate pathogen defense of higher plants. Moreover, we aim to unravel the mechanism and function of the NSD and NGD systems in plants.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. In plants, the most efficient defense mechanism is the R-gene based resistance system, a race-specific inducible response that frequently leads to hypersensitive response and cell death. Plants contain several R-genes. Overexpression of R-genes leads to harmful spontaneous induction of defense responses. Thus different control mechanisms evolved that downregulate the expression of R-genes. Recent studies shown that in Solanaceae plants (but not in Arabidopsis), miR482 micro RNA family constitutively represses the expression of R-genes. Patogen infection leads to reduction of miR482 expression, which in turn results in overexpression of R-transcripts. In Arabidopsis, resistance responses are constitutively active in NMD-deficient lines. Moreover, Pseudomonas infection might lead to inactivation of NMD. Thus NMD in Arabidopsis and miR482 in Solenaceae play similar role in defense regulation, both repress the expression of R-genes in non-infected plants. Our working hypothesis is that, NMD also negatively regulates the expression of R-genes in other plants. To clarify this, genome wide transcriptome assays will be conducted to identify the NMD regulated transcriptome in a Solenaceae and a monocot plant. NMD-deficient tobacco and rice lines will be generated and their transcriptome will be deep-sequenced. We hypothesize that the two other RNA quality control system, the NSD and the NGD systems are also involved in pathogen control. Using the transient toolkit that we have elaborated to analyze NMD, we want to describe the molecular basis of NGD and NSD systems. Moreover, NGD deficient lines will be generated and the NGD regulated transcriptome will be defined.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The success of this program could significantly contribute to our knowledge about the mechanism and biological function of different RNA quality control systems in plants. During this program NMD deficient tobacco and rice lines will be generated and their transcriptome will be studied. Previously similar transcriptome studies were used to unravel the function of NMD in Arabidopsis. These assays showed that in Arabidopsis NMD –in addition to eliminating the aberrant transcripts- is also involved in the regulation of pathogen defense, the control of mRNA-like noncoding transcripts, the regulation of alternative splicing and the control of upstream ORF containing transcripts. Comparative analyses of NMD regulated gene sets of tobacco, rice and Arabidopsis could help us to identify the conserved targets of NMD within higher plants and to recognize the nonconserved, plant (lineage) specific functions of NMD. Relevantly, these studies will show whether NMD plays a conserved role in defense control or it is Arabidopsis-specific function. Moreover, our NMD deficient lines will be valuable tools for further NMD studies. During this program we will describe the NGD and NSD systems in plants and characterize the NGD regulated transcriptome. These are the first step toward understanding the biological function of these uncharacterized plant RNA quality control systems. We want to publish our result in at least three papers in high impact journals. The succes of this program might be useful for the plant breeders. Better undestanding of defense mechanisms could help to elaborate novel and efficient resistance breeding strategies.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. RNA quality control systems are essential for the viability of eukaryotes as these systems prevent the accumulation of faulty proteins. In addition RNA quality control systems play an important role in the regulation of gene expression. Recent results have shown that in higher plants RNA qulaity control systems are also involved in the pathogen defense. During this program we try to clarify how RNA quality control systems regulate pathogen defense.
Final report
Results in Hungarian
A minőségbiztosítási rendszerek biztosítják, hogy csak hibátlan fehérjék akkumulálódhassanak a sejtekben. Eukariótákban 4 RNS-szintű minőségbiztosítási rendszer működik, a silencing, az NMD, az NGD és az NSD rendszer. Ezek eltérő hibás transzkriptumokat ismernek fel és bontanak el. Habár ezek a rendszerek nélkülözhetetlenek, és állatokban igen intenzíven tanulmányozottak, a növényi RNS minőségbiztosítási rendszerekről (a silencing kivételével) keveset tudunk. A program kezdetekor az NMD rendszer alig volt ismert, míg az NSD és NGD rendszereket le sem írták.
A cél a növényi RNS minőségbiztosítási rendszerek jobb megismerése volt. Munkánk során igazoltuk, hogy növényekben mind az NSD, mind az NGD rendszer hatékonyan működik, és a két rendszer szorosan kapcsolt. Az NSD a stop kodon nélküli hibás mRNS-eket bontja, míg a növényi NGD a kódoló régióban hosszú A sorozatot tartalmazó mRNS degradálja. Kimutattuk, hogy a Pelota és HBS1 fehérjék mindkét rendszerhez nélkülözhetetlenek, és igazoltuk, hogy a SKI-exosoma exonukleáz rendszerhez kapcsoltan működnek. Bizonyítottuk, hogy az NSD rendszer a silencing rendszerrel is szorosan kapcsolt, így részt vesz a kisRNS homeosztázis fenntartásában. Azonosítottuk a növényi NMD konzervált célpontjait, és kimutattuk, hogy bár nagyon kevés ilyen van, de ezek a NMD autoregulációjáért, illetve a transzláció terminációjának szabályozásáért felelnek.
Results in English
The quality control systems ensure that only perfect proteins can accumulate. In eukaryotes, 4 RNA quality control systems operate, the silencing, the NMD, the NGD and the NSD systems. These machineries identify and degrade different aberrant transcripts. Although these systems are essential and they are intensively studied in animals, the plant RNA quality control systems are barely understood. Indeed, at the beginning of this project the NMD was hardly known, while neither the NSD nor the NGS system have been described in plants.
The aim of this program was to better understand the RNA quality control systems in plants. We show that both NSD and NGD system function efficiently in plants and that they are strongly connected. NSD decays the stop codon less aberrant transcripts, while plant NGD degrades mRNAs containing a long A-stretch in the coding region. We found that Pelota and HBS1 are required for both systems and that they operate by recruiting the SKI-exosome exonuclease complex. Moreover, we found that NSD cooperate with the silencing system in plants. We have also identified the conserved targets of plant NMD. Although we identified very few conserved targets, they are involved in the autoregulation of NMD or in the control of translation termination.
Baksa I, Nagy T, Barta E, Havelda Z, Várallyay É, Silhavy D, Burgyán J, Szittya G: Identification of Nicotiana benthamiana microRNAs and their targets using high throughput sequencing and degradome analysis., BMC Genomics. 2015 Dec 1;16(1):1025. doi: 10.1186/s12864-015-2209-6, 2015
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ), Új kutatóhely: Mezőgazdasági Biotechnológiai Kutatóintézet (Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ).
