Az RNS- és fehérje-szintű minőségbiztosítási rendszerek kapcsolata növényekben
Title in English
Connections between RNA- and protein-based quality control systems in plants
Keywords in Hungarian
transzláció elakadás, hibás riboszóma szétszerelés, minta nélküli fehérje hosszabbítás
Keywords in English
translation stalling, aberrant ribosome recycling, non-templated protein elongation
Discipline
Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences)
100 %
Ortelius classification: Molecular biology
Panel
Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent
Institute of Plant Biology (HUN-REN Biological Research Centre Szeged)
Participants
Auber, Andor Csorba, Tibor Levente Grézal, Gábor Péter Iski, Gergely Kurilla, Anita Mandal, Manoj Kumar Nyikó, Tünde Péter, Csaba Szaker, Henrik Mihály
Starting date
2019-10-01
Closing date
2023-03-31
Funding (in million HUF)
39.805
FTE (full time equivalent)
4.73
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Eukarióta sejtekben számos a génexpresszió változatlanságát felügyelő minőségbiztosítási rendszer működik. Az RNS-szintű minőségbiztosítási rendszerek azonosítják és elbontják a hibás mRNS-eket, míg a fehérje-szintű minőségbiztosítási rendszerek javítják, vagy eliminálják a hibás fehérjéket. Más eukariótákban ismert, hogy ezek a rendszerek szorosan együttműködnek normál és különösen stressz körülmények között. Korábban mi is azt találtuk, hogy két RNS-szintű minőségbiztosítási rendszer kapcsoltan működik, a No-go decay rendszer szabályozza az RNS Silencing rendszer működését. Azonban az RNS- és fehérje-szintű minőségbiztosítási rendszerek funkcionális kapcsolatait növényekben eddig senki sem vizsgálta. A program során változatos in planta és nagy áteresztőképességű szekvenálasi megközelítés kombinációjával kívánjuk tesztelni a hipotézisünket, mely szerint a RNS- és fehérje-szintű minőségbiztosítási rendszerek növényekben is szorosan együttműködnek, és közösen vesznek részt a stressz válaszokban.
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. Alapfeltételezésünk az, hogy a növényi RNS és protein minőségbiztosítási rendszerek szoros kapcsolatban állnak. Programunk során több részmunka-hipotézist szeretnénk kísérletesen ellenőrizni.
-Nem publikált eredményeink azt mutatják, hogy az NGD RNS minőségbiztosítási rendszer szabályozza az RNS silencing rendszer működését, azáltal, hogy lebontja a miRNS vágásból származó 5’ vágástermékeket. Programunk során tesztelni szeretnénk azt a feltevésünket, hogy az NGD kapcsolt vágástermék bontás azért fontos, mert megakadályozza, hogy ezekről káros, másodlagos kisRNS-ek keletkezhessenek. Azaz, az NGD részt vesz a kisRNS homeosztázis fenntartásában növényekben.
-Szintén teszteljük azt a feltevésünket, hogy az RQC fehérje minőségbiztosítási rendszer növényekben is aktív, és az NGD-vel együttműködve részt vesz a silencing rendszer szabályozásában.
-Megfigyeltük, hogy a pelota NGD mutáns részlegesen ellenálló a TCV vírussal szemben. Két egymást nem kizáró modellt állítottunk fel, az egyik szerint az NGD a silencing rendszer gátlásán keresztül segíti a vírusfertőzést, míg a másik szerint az NGD a vírus szaporodáshoz szükséges membrán proliferációhoz kell. A program során mindkét modellt tesztelni kívánjuk.
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 növényi RNS-és protein szintű minőségbiztosítási rendszerek kapcsolatáról szinte semmit sem tudunk. Ugyanakkor más eukarótákban ezek a rendszerek szorosan együttműködnek, normál és főleg stressz körülmények között. Mi korábban meglehetősen váratlanul azt találtuk, hogy növényekben az NGD és silencing RNS minőségbiztosítási rendszerek együttműködnek. Mindezek alapján feltételezzük, hogy a növény RNS és protein minőségbiztosítási rendszerek szoros kapcsolatban állnak. Ha ez igaz, ezek közös elemzése alapján jobban megérthetjük a növényi génszabályozást, a stressz válaszokat. Megközelítésünk újdonsága, hogy ezen rendszerek kapcsolatát növényekben célzottan eddig nem vizsgálták. A program alapvetően támaszkodik számos nem közölt eredményre (NGD-silencing kapcsolat, pelota fenotípus, vírusellenállóság), melyek alapján világos munkahipotéziseket állíthattunk fel. Ugyanakkor ez a hipotézis vezérelt program alapvetően korszerű, nagy áteresztőképességű szekvenálásokat használ, melyek elemzésében, ellenőrzésében, komoly gyakorlatunk van. Mindezek alapján úgy véljük, hogy a programunk sikeres lefutása esetén az eredményeink alapvetően járulhatnak hozzá a növényi génszabályozás megértéséhez
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 növényi génműködéshez nélkülözhetetlenek a génműködés minőségbiztosítási rendszerei, melyek biztosítják, hogy csak tökéletes fehérjék legyenek jelen a sejtben. Az RNS-szintű minőségbiztosítási rendszerek felelnek azért, hogy csak tökéletes mRNS-ekről képződhessenek fehérjék, míg a fehérje minőségbiztosítási rendszerek az elkészült fehérjéket ellenőrzik, a hibásakat javítják vagy lebontják. Bár ezek a rendszerek a génműködés minden szintjén jelen vannak és nélkülözhetetlenek, a növényi génexpresszió minőségbiztosítási rendszereiről mégis nagyon keveset tudunk. Programunk során a növényi RNS és fehérje minőségbiztosítási rendszerek kapcsolatait szeretnénk jobban megérteni. A program sikere setén jobban megérthetjük a növényi génszabályozást, a stressz válaszokat, illetve a vírusellenállóság alapjait is.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Eukaryotes have evolved various quality control systems to ensure the fidelity of gene expression. RNA quality control systems identify and degrade aberrant mRNAs, while protein quality control systems correct or degrade protein misproducts. Recent results have shown that in fungi and animals, RNA- and protein-based quality control systems can act cooperatively during normal and especially under stress conditions. We also observed that two RNA quality control systems are linked in plants; unexpectedly we found that the No-go decay system regulates the activity of RNA silencing machinery. However, the connection between RNA- and protein quality control systems have not been analysed in plants yet. During this program we want to use various in planta assays combined with high-throughput sequencing experiments to test our working hypothesis that these systems are tightly linked in plants and act cooperatively to resolve stress.
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. We hypothesize that RNA- and protein quality control systems act cooperatively in plants. During this program we want to test few different assumptions:
-Our preliminary results show that NGD RNA quality control system cooperates with RNA silencing system as NGD degrades the 5’ cleavage fragment of miRNA silencing pathways. We will test our assumption that this NGD mediated decay is important as it prevents the uncontrolled generation of detrimental secondary sRNAs. Thus NGD controls sRNA homeostasis in plant.
-We also want to test our hypothesis that RQC protein quality control system is linked to NGD and plants, and that RQC is also involved in the regulation of silencing system.
-We observed that pelota NGD mutant is partially resistant to TSV virus. We formulated two possible models how NGD is involved in viral infection. We postulate that NGD mediated silencing suppression promotes virus replication and that NGD is involved in generation membrane proliferation, which is essential for replication of many virus.
-We will also test our hypothesis, that NMD and/or NGD quality control systems act cooperatively with UPR protein quality control system to resolve ER-stress in plants.
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. Very little is known about the connections between RNA- and protein-based quality control systems in plants. However, several lines of evidence show that these systems are tightly linked in other eukaryotes during normal and especially under stress conditions. Moreover we found that NGD and RNA silencing RNA quality control systems act cooperatively in plants. Based on these findings, we hypothesize that RNA- and protein-based quality control systems are intricately connected in plants. If this assumption is true, their combined studies are required to unravel their role in plant gene regulation and stress responses. The novelty of our approach is that, the connections of these systems have not been directly studied in plants yet. This project is strongly based on unpublished preliminary results (NGD-silenicng connection, pelota phenotype, and virus resistance). Based on these preliminary results, we could establish clear, solid, testable working models. We think that this is a hypothesis driven program, which is widely use high-throughput sequencing assays. Taken together, we believe that this program is internationally competitive and the results could significantly contribute to our knowledge about many aspects of plant gene regulation.
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. To ensure that only perfect proteins accumulate in plant cells, many different quality control systems monitor the quality of mRNAs and proteins. RNA quality control systems identify and degrades aberrant mRNAs, thereby preventing their translation, while protein quality control systems inspect the proteins. Although these systems are essential in plants, we know very little about the function and about their possible connections. During this program we want to understand how these systems are connected in plants. This project can help us to better understand how plants regulate gene expression, stress responses and how they can cope with virus infections.
Final report
Results in Hungarian
A génexpresszió minőségbiztosítási (quality control) rendszerei biztosítják, hogy csak hibátlan mRNS-ek transzlálódhassanak, és megakadályozzák a hibás fehérjék felhalmozódását. Bár az állati minőségbiztosítási rendszerekről nagyon sokat tudunk, a növényi quality control rendszerekről kevés információnk van.
Programunk során a különböző növényi RNS- és fehérje szintű minőségbiztosítási rendszerek kapcsolatát vizsgáltuk. Kimutattuk, hogy növényekben legalább négy poszt-transzkripciós RNS quality control működik, a kétszálú, illetve cap vagy polyA nélküli hibás mRNS-ek elbontásáért felelős RNS silencing, a korai stop kodont tartalmazó hibás mRNS-ek degradáláért felelős NMD, a stop kodon nélküli aberráns transzkriptumok lebontását végző NSD, illetve a transzláció elongációját gátló hibákat hordozó mRNS-ek elimináláért felelős NGD rendszer. Munkánk során azonosítottuk a növényi NGD cis és transz faktorait, és feltártuk, hogy miként bontja el az NGD a hibás mRNS-eket. Bemutattuk, hogy a növényi NSD és NGD szorosan kapcsoltak, és együttműködnek az RNS silencing rendszerrel is, de nem kapcsolódnak az NMD-hez. Kimutattuk, hogy az NGD szorosan kapcsolódik egy növényekben eddig nem ismert fehérje minőségbiztosítási rendszerhez, az RQC (ribosome associated quality control) rendszerhez. Az RQC az elakadó riboszómán található nascens fehérjéket bontja le. Programunk során számos új ismeretet szereztünk a növényi minőségbiztosítási rendszerek működéséről, kapcsolatáról szerepéről.
Results in English
Quality control systems ensure the fidelity of gene expression, they inhibit the translation of aberrant transcripts and prevent the accumulation of faulty proteins. Although the quality control systems have been intensively studied in animals and yeast, plant quality control systems are still poorly understood.
During the program we have studied the connection between various RNA and protein quality control systems. We demonstrated that at least four RNA quality control systems function in plants, the RNA silencing system, which eliminates double-stranded aberrant transcript or mRNAs lacking cap or polyA, the NMD system, which decays premature termination codon containing aberrant mRNAs, the NSD system, which degrades stop codon less faulty transcript and the NGD system, which eliminates mRNAs containing translation elongation blocking elements. We identified the cis and trans factors of NGD and unravelled the molecular mechanism of NGD. We have shown that plant NSD and NGD are strictly connected and they also cooperate with silencing but not with NMD quality control system. We have also revealed that the RQC (ribosome associated quality control) protein quality control system functions in plants, identified the components of it, and demonstrated that RQC is mechanistically connected to NGD. Taken together, our results significantly contributed to our knowledge about the mechanism, connections and functions of different quality control systems in plant.
Sulkowska A, Auber A, Sikorski PJ, Silhavy D, Auth M, Sitkiewicz E, Jean V, Merret R, Bousquet-Antonelli C, Kufel J.: RNA Helicases From the DEA(D/H)-box Family Contribute to Plant NMD Efficiency., Plant Cell Physiol. 2019 Sep 27. pii: pcz186. doi: 10.1093/pcp/pcz186., 2019
