title: Mathematical Modeling of Subcellular mRNA Dynamics in Mouse Embryonic Stem Cells
Creators: name: Steinbrecht, David
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2025
Subjects: subject: RNA-Dynamik
subject: Kinetische Modellierung
subject: Subzelluläre Fraktionierung
subject: Nukleare Retention
subject: Metabolisches Labeling
subject: RNA Dynamics
subject: Kinetic Modeling
subject: Subcellular Fractionation
subject: Nuclear Retention
subject: Metabolic Labeling
subject: 570 Biologie

description: Der Lebenszyklus eukaryotischer mRNA umfasst die Transkription und Verarbeitung im Zellkern sowie die Translation und den Abbau im Zytosol und am endoplasmatischen Retikulum. Obwohl die Regulation dieser Prozesse von Natur aus kompartimentiert erfolgt, war eine umfassende Charakterisierung der subzellulären mRNA-Dynamik bisher schwer fassbar. Diese Arbeit berichtet über eine Untersuchung der räumlichen und zeitlichen Kinetik von mRNA in Maus-embryonalen Stammzellen. Wir kombinierten metabolisches RNA-Labeling, biochemische Zellfraktionierung, Full-Length-Poly(A)-RNA-Sequenzierung und mathematische Modellierung, um die subzellulären Dynamiken von mRNAs transkribiert aus mehr als 9000 Genen zu quantifizieren. Die nukleare Retention wies die längsten Halbwertszeiten mit einem Median von 78 Minuten auf, was sie als den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt im mRNA-Lebenszyklus etabliert. Im Vergleich dazu waren die Stabilitäten im Zytosol und an der Membran kürzer, wobei im Zytosol lokalisierte Transkripte eine mediane Halbwertszeit von 13 Minuten und membranlokalisierte Transkripte eine mediane Halbwertszeit von 20 Minuten aufwiesen. Transkripte von Genen mit ähnlichen biologischen Funktionen zeigten vergleichbare kinetische Profile. Transkriptionsfaktoren wiesen eine kurze nukleare Retention und eine geringe zytosolische Stabilität auf. Im Gegensatz dazu zeigten Transkripte, die mitochondriale und ribosomale Proteine codieren, eine verlängerte nukleare Retention. Darüber hinaus offenbarte die Modellierung unter Einbeziehung eines Parameters für nukleare Degradation, dass der nukleare Abbau reifer mRNA signifikant 6 % der exprimierten Gene beeinflusst. Insgesamt bietet unsere transkriptomweite Quantifizierung der subzellulären mRNA-Dynamik eine wertvolle Ressource zum Verständnis der Genexpressionsregulation in den verschiedenen zellulären Kompartimenten.
description: The life cycle of eukaryotic mRNA involves transcription and processing in the nucleus, and translation and degradation in the cytosol and at the endoplasmic reticulum. While the regulation of these processes is inherently compartmentalized, comprehensive characterization of subcellular mRNA dynamics has been elusive. This thesis reports an investigation of the spatial and temporal kinetics of mRNA in mouse embryonic stem cells. We combined metabolic RNA labeling, biochemical cell fractionation, full-length poly(A) RNA sequencing, and mathematical modeling to quantify subcellular dynamics of mRNAs transcribed from more than 9000 genes. Nuclear retention showed the longest half-lives with a median of 78 min, establishing it as the rate-limiting step in the mRNA life cycle. In comparison, cytosolic and membrane stabilities were shorter, with cytosol-localized transcripts having a median cytosolic half-life of 13 min, and membrane-localized transcripts showing a median membrane half-life of 20 min. Transcripts from genes with similar biological functions showed similar kinetic profiles. Transcription factors exhibited short nuclear retention and low cytosolic stability. In contrast, transcripts encoding mitochondrial and ribosomal proteins displayed prolonged nuclear retention. Moreover, modeling that incorporated a nuclear degradation parameter revealed that nuclear decay of mature mRNA significantly affects 6% of expressed genes. To validate our half-life estimates, we conducted cross-study comparisons with datasets on different mammalian cell types, finding high agreement for whole-cell and nuclear half-lives. Cytoplasmic half-lives, however, showed only low to moderate correlations, suggesting that cell type-specific post-transcriptional regulation primarily occurs in the cytoplasm. Overall, our transcriptome-wide quantification of subcellular mRNA dynamics provides a valuable resource for understanding gene expression regulation across subscellular compartments.