 |
The effect of upstream open reading frames to the stability of plant mRNAs
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
129119 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Nyikó, Tünde |
| Title in Hungarian |
Az 5'UTR-ban található "open reading frame-ek" hatása a növényi mRNS-ek stabilitására. |
| Title in English |
The effect of upstream open reading frames to the stability of plant mRNAs |
| Keywords in Hungarian |
uORF, transzláció, riboszóma elakadás, RNS minőségbiztosítási rendszer, mRNS bomlás |
| Keywords in English |
uORF, translation, ribosome stalling, RNA quality control, mRNA degradation |
| Discipline |
| Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences) | 50 % | | Ortelius classification: Molecular biology | | RNA synthesis, processing, modification and degradation (Council of Medical and Biological Sciences) | 50 % |
|
| Panel |
Molecular and Structural Biology and Biochemistry |
| Department or equivalent |
Genetika és Biotechnológia Intézet (MATE) (Hungarian University of Agriculture and Life Sciences) |
| Starting date |
2018-12-01 |
| Closing date |
2022-04-30 |
| Funding (in million HUF) |
15.807 |
| FTE (full time equivalent) |
2.40 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Az 5’ nem transzlálódó régióban (5’UTR) található korai leolvasási keretek (uORFek) a növényi gének mintegy 30%-ban megtalálhatóak. Az uORFek hatékonyan transzlálódnak és fontos szerepük van a génexpresszió szabályozásában, különböző fejlődési útvonalakban és stressz válaszokban. Egy jelentős csoportja ezeknek az uORFek-nek úgy befolyásolja a főgén kifejeződését, hogy riboszóma elakadást indukálva gátolja a saját transzlációját, ami végül mRNS bomláshoz vezet. A pontos mechanizmusa ennek a szabályozásnak azonban még nem ismert.
Célunk, hogy feltárjuk a molekuláris hátterét a riboszóma elakadást okozó növényi uORFek főgénre kifejtett hatásának. Előzetes eredményeinkre alapozva, feltételezzük, hogy a riboszóma elakadást egy speciális mRNS minőségbiztosítási rendszer, a no-go decay (NGD) rendszer érzékeli, aminek következtében a riboszóma elakadástól nem messze vágódik a mRNS és az XRN4, SKI2 degradációs enzimek lebontják. A program során vad típusú, XRN4-, SKI2 és NGD mutáns növények transzkriptóm adatait összehasonlítva vizsgáljuk hogy hogyan hatnak az uORFek az mRNS stabilitásra. Riporter konstrukciókat hozunk létre, amelyekben a GFP riporter gén elé beépítjük a transzkriptóm adatok alapján kiválogatott uORFek-et tartalmazó 5’UTR régiókat majd tranziens rendszerben detektáljuk a NGD általi endonukleolitikus vágásból származó 5’ és 3’ vágás termékek felhalmozódását. Végül feltérképezzük az endonukleolitikus vágás pontos helyét, illetve azonosítani szeretnénk azokat a cisz elemeket az uORFek-en, amelyek kiváltják a riboszóma elakadást.
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 korai leolvasási keretek (uORFek), az eukariótában fellelhető gyakori és fontos génszabályozó elemek. Egyes uORFek úgy gátolják a főgén kifejeződését, hogy riboszóma elakadást okoznak, ami az mRNS destabilizációjához vezet. A mRNS degradáció pontos mechanizmusa azonban még nem ismert. Eukariótákban egy konzervált mRNS minőségbiztosítási rendszer, a no-go decay (NGD) rendszer felelős a riboszóma elakadással detektált mRNSek lebontásáért. A NGD a riboszóma elakadástól nem messze vágást indukál, majd az XRN4-, SKI2 degradációs enzimek lebontják a mRNS-t. Előzetes eredményeink alapján a NGD növényekben is működik ezért azt gondoljuk, hogy a riboszóma elakadást kiváltó uORFek-et tartalmazó mRNS-ek a NGD célpontok egy jelentős részét képezhetik. Feltételezzük ezért, hogy ezeknek az mRNS-nek a bomlása endonukleolitikus vágással kezdődik közel a riboszóma elakadás helyéhez. Változatos tranziens és transzgénikus növény kísérletek révén kívánjuk feltárni uORFek által destabilizált mRNSek pontos bomlási mintázatait, ami hozzásegíthet annak a megválaszolásához, hogy pontosan hogyan szabályozzák a riboszóma elakadást okozó uORFek a főgén expresszióját illetve, a szabályozás biológiai jelentőségét is megismerhetjük. Azonosítani szeretnénk új eddig nem ismert mRNS destabilizációt okozó uORFek-et is, illetve azokat a cisz elemeket, amelyek kiváltják a riboszóma elakadást.
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!
Jelen kutatásunk során a uORFek által destabilizált mRNS-ek pontos bomlási mintázatait vizsgáljuk. A kutatás eredményei hasznosak lehetnek mind az alap- (1), mind az alkalmazott (2) kutatásban, növények és más eukarióták tanulmányozása során is.
(1) A program, siker esetén alapvetően járulna hozzá a növényi gének egy jelentős részének, az transzlálódó uORFek-et tartalmazó gének, szabályozásának a megismeréséhez. Betekintést nyújtana az uORFek által kiváltott RNS degradációs folyamatok pontos működésébe és elsőként adna magyarázatot arra, hogy a riboszóma elakadást okozó uORFek hogyan befolyásolják a mRNS szintet. Mivel az uORFek általi mRNS szabályozás ezen kései lépései kevésbé ismertek az eddig vizsgált eukariótában, ezért ezek az eredmények széles körű érdeklődésre tarthatnak számot a megfelelő kutatói körökben.
(2) A legutóbbi kutatások kimutatták, hogy a növények egyik fontos, patogén válaszban szerepet játszó génjének transzlációját egy riboszóma elakadást okozó uORF szabályozza, ami patogén válaszra gátolja az adott gén kifejeződését. Azt gondoljuk ezért, hogy ezen speciális uORFek szabályozási módjainak megismerése elősegíthetí, széleskörű rezisztenciával bíró növények létrehozását. Ezekben a növényekben az uORF szabályozásnak köszönhetően csak patogén válaszra indulna be a rezisztencia gének kifejeződése, ami így minimális hátrányt jelentene a növények növekedésére és fejlődésére nézve.
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 DNS-ben kódolt genetikai információ a transzkripció során a hírvivő RNS molekuláknak (mRNS) adódik át. A mRNSek leolvasási keretekben vagy főgénekben (mORF) tárolják az információt ami a transzláció során a sejt alapvető működéseiért felelős fehérjékké alakul át. Az eddigi kutatások nagy figyelmet szenteltek a mORFek tanulmányozásának, kiderült azonban, hogy a mRNSen több kisebb eddig nem azonosított ORF is található, amelyek müködéséről nagyon keveset tudunk. A többsége ezeknek a rövid ORFek-nek, az úgynevezett korai leolvasási keretek (uORFek), a főgének előtt találhatóak. Számos vizsgált organizmusban kimutatták, hogy ezek az uORFek kölönböző környezeti vagy stressz hatásokra képesek befolyásolni a mRNS stabilitását és a főgén traszlációs hatékonyságát ezáltal fontos szabályozó szerepük van. Az uORFek biológiai jelentőségéről és a pontos működési mechanizmusáról azonban még keveset tudunk.
A program során szeretnénk kideríteni, hogy hogyan befolyásolják az uORFek a mRNS stabilitását. Előzetes eredményeink alapján azt feltételezzük, hogy a növényi uORFek egy jelentős része képes beindítani egy speciális mRNS minőségbiztosítási rendszert, a no-go decay (NGD) rendszert, ami gyors mRNS bontáshoz vezet. Hipotézisünket kísérletekkel szeretnénk igazolni, tanulmányozva az uORFek által okozott mRNS bomlás pontos mechanizmusát. Mivel számos a patogén-, illetve stressz válaszban szerepet játszó növényi gén kifejeződése uORFek által szabályozott, a program sikere - amellett hogy hozzájárul az uORFek működésének megértéséhez - elősegítheti új patogén ellenálló növények létrehozását is.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Upstream open reading frames (uORFs) located at the 5’untranslated region (5’UTR) of mRNAs are found in approximately 30% of plant genes. They are translated at high frequency and serve as major regulators of gene expression playing important regulatory role in different developmental and environmental cues. A significant set of these uORFs were shown to regulate the expression of the main ORF (mORF) by stalling the elongating ribosomes during its own translation that leads to mRNA destabilization. However, the precise mechanism(s) how these uORFs operate and regulate the expression of the mORF is still not known.
Our aim is to unravel the mechanistic details how plant uORFs at which ribosomes are stalled influence the expression of the downstream coding sequence (mORF). Based on our preliminary results, we propose that uORFs that cause ribosome stalling are coupled to a specialized mRNA surveillance pathway called no-go decay (NGD), which may results in endonucleolytic celavage upstream of the stalled ribosomes, followed by XRN4-, SKI2 digestion. During this program we will comparatively analyze the transcriptomes of wild type, XRN4-, SKI2 and NGD mutant plants to unravel how uORFs modify the degradation of mRNAs. Based on the transcriptome data, selected 5’UTRs will be cloned into reporter constructs and analyzed in transient assay to detect the accumulation of 5' and 3' cleavage products arising from NGD mediated endonucleolytic cleavage. Finally, we will finely map the exact cleavage sites in the respective 5’UTRs and the cis elements that are required for the translation arrest and endonucleolytic cleavage.
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.
Upstream open reading frames (uORFs) are highly abundant and important regulatory elements in certain eukaryotes. Certain uORFs were shown to repress the translation of the main ORF (mORF) by inducing ribosome stalling associated with mRNA destabilization. However, the precise decay mechanism(s) activated by these uORFs remains to be determined. In eukaryotes, a conserved mRNA quality control system, no-go decay (NGD) targets mRNAs with elongation stalls for degradation, initiated by endonucleolytic cleavage in the vicinity of the stalled ribosome and then followed by XRN4-SKI2 digestion. Our preliminary data suggest that NGD also operates in plants and these special set of plant mRNAs that contain uORFs at which ribosomes are stalled could compose a major group of NGD targets.
Therefore we hypothesized that degradation of plant mRNAs containing uORFs that mediate ribosome stalling might begin with endonucleolytic cleavage close to the stalling ribosome. Using various transient expression and transgenic approaches, we try to uncover the precise RNA degradation patterns induced by these special uORFs to provide explanation how they regulate the expression of the mORF and unravel the biological relevance of this regulation. We also want to identify cis elements required for uORF mediated mRNA decay and describe putative new plant uORFs that induce mRNA destabilization.
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.
Although recent studies have identified upstream open reading frames (uORFs) as genome-wide regulatory elements, little is known about the mechanistic detail and functional contribution of uORF-mediated regulation in eukaryotes.
The outcome of this research project studying the decay patterns of special uORFs that induce ribosome stalling could provide benefits for both basic (1) and applied research (2) studies in plants and other eukayotes.
(1) The success of this project could substantially improve our knowledge about the regulation of a significant set of plant genes harbouring translatable uORFs in their 5'UTR. It will also gain information about the RNA degradation patterns induced by plant uORFs and provide the first explanation how uORFs that cause ribosomal arrest could destabilize the mRNA level. Since this late steps of uORF-mediated mRNA regulations are poorly understood in all examined eukaryotes our findings could be of broad interest to the uORF research community.
(2) Latest finding suggest that translation of the key immune regulator in plants are controlled by a pathogen-responsive uORF that induce ribosomal arrest during pathogene induction. Thus understanding the regulatory strategies of these special uORFs might enhance the engineering of plants with inducible broad-spectrum disease resistance that has minimal adverse effects on plant growth and development.
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.
Genetic information is encoded in the sequence of the DNA, then DNA is transcribed into messenger RNA (mRNA) molecule. mRNAs store their information in a major open reading frame (mORF) which is transformed into proteins during the process of translation. Biologists generally concentrate on the protein-coding mORFs of mRNA, however it is now emerging that many mRNAs also possess additional small ORFs, that are loosely defined. The majority of this small ORFs called upstream open reading frames (uORFs), are located before the mORF. They have been shown to regulate the mRNA stability and translation efficiency of their mORF to different environmental cues thus have vital regulatory roles in a wide range of organisms. However the biological significance and the precise mechanism(s) how these uORFs operate and how they regulate the expression of the mORF awaits investigation in many cases.
During this program we want to unravel the effect of these uORFs on mRNA stability. Based on our previous results we hypothesize that several plant uORFs can induce rapid degradation of the mRNA by activating a special mRNA quality control system, called no-go decay (NGD). We will experimentally analyze our hypothesis by studying the mechanistic details of uORF induced mRNA destabilization. As regulation of plant genes involved in pathogene response and different stress responses higly depends on uORF-mediated control, the success of this project - in addition that it significantly contribute to our understanding of uORFs regulatory strategies - might enhance the elaboration of novel defense strategies in plants.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
