title: Pan-archaeal analysis of C/D box sRNA biogenesis and methylation targets
title: Archaeen-übergreifende Analyse der C/D box sRNA Biogenese und der Methylierungsziele
title: Archaeen-übergreifende Analyse der C/D box sRNA Biogenese und der Methylierungsziele
Creators: name: Tripp, Vanessa
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: RNS
C/D box sRNA, posttranskriptionale Modifikationen
RNA Methylierung, ribosomale RNA
RNA-Seq
RNA
Archaea
Archaebakterien
RNA methylation
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
posttranscriptional modification

description: Post-transcriptional modifications
      of RNA molecules occur in all three domains of life and
      influence RNA stability and functionality. The most numerous
      modifications are 2'-O-methylations at the ribose moiety and
      pseudouridylations. In archaea, modified bases are abundant
      in ribosomal RNAs (rRNAs) and transfer RNAs (tRNAs). The
      introduction of both modifications is guided by small RNAs
      that are incorporated into ribonucleoprotein complexes
      (RNPs). 2'-O-methylations are guided by C/D box sRNAs in
      archaea. C/D box sRNAs are characterized by the conserved
      sequence elements boxC/C' (consensus sequence: RUGAUGA) and
      boxD/D' (consensus sequence: CUGA). Upon C/D box sRNA
      folding, both sequence elements base-pair (boxC with boxD and
      boxC' with boxD'), which results in the formation of two
      kink-turn motifs that are stabilized by binding of the
      protein L7Ae. The sequences between the two kink-turn
      elements show complementarity to the sequences of the target
      RNA and thereby serve as guide sequences that determine the
      sites of 2'-O-methylation. The modifications are introduced
      site-specifically at the nucleotide of the target RNA that is
      complementary to the fifth nucleotide upstream of the boxD/D'
      motif by the methyltransferase fibrillarin. Based on the
      guide sequences, C/D box sRNA targets of seven archaea were
      predicted and mapped onto the consensus structure of the 16S
      and 23S rRNA. Conserved methylation hotspots were observed in
      ancient core regions of the rRNAs that are important for
      ribosome integrity and functionality and that are not
      protected by ribosomal proteins. Therefore, the modifications
      might contribute to the folding, structural stabilization and
      function of the rRNAs. The biogenesis of archaeal C/D box
      sRNAs is largely unknown as independent promoters cannot be
      identified for the majority of the C/D box sRNA genes. The
      analysis of C/D box sRNA genes in six archaeal model
      organisms revealed diverse genetic contexts, providing
      opportunities for transcription without the necessity of an
      independent promoter. C/D box sRNA genes localize e.g. in the
      5' or 3'-UTR of flanking protein-coding regions and
      polycistronic C/D box sRNA transcripts exist. Plasmid-based
      C/D box sRNA in vivo analyses were performed in Sulfolobus
      acidocaldarius in which C/D box sRNA genes variants with
      their native or random upstream and downstream sequences were
      used to identify C/D box sRNA stabilization and maturation
      requirements. The analyses revealed that the maturation of
      C/D box sRNAs occurs independently of the upstream and
      downstream sequences. The integrity of the k-turn is
      important for C/D box sRNA stability. Archaeal C/D box sRNAs
      exhibit a transcriptional plasticity and their maturation is
      suggested to include the action of unspecific
      exoribonucleases. Complete degradation might be prevented by
      co-transcriptional L7Ae binding or complete C/D box sRNP
      assembly. Circular forms of the C/D box sRNAs were identified
      in several hyperthermophilic archaea and the circularization
      reaction should protect RNAs from degradation. C/D box sRNA
      gene upstream and downstream sequences were shown not to be
      required for circularization but the responsible RNA ligase
      remains to be identified. Thus, this thesis provides insights
      into the transcription and maturation of archaeal C/D box
      sRNAs and highlights conserved 2'-O-methylation pattern in
      archaeal rRNAs.
description: Posttranskriptionale
      Modifikationen sind in RNA Molekülen von allen drei Domänen
      des Lebens zu finden und sie beeinflussen die Stabilität und
      Funktionalität der RNAs. Die häufigsten Modifikationen sind
      2'-O-Methylierungen der Ribose oder Pseudouridylierungen. In
      Archaeen kommen sie am häufigsten in ribosomalen RNAs (rRNAs)
      und Transfer-RNAs (tRNAs) vor. Die Position in der diese
      Modifikationen eingefügt werden, wird durch kleine RNAs
      bestimmt die an einen Ribonukleoproteinkomplex (RNP) gebunden
      sind. Für die Positionsbestimmung der 2'-O-Methylierungen in
      den Ziel-RNAs sind in Archaeen C/D box sRNAs zuständig.
      Charakteristische Sequenzmotive der C/D box sRNAs sind die
      BoxC/C' (Konsensussequenz: RUGAUGA) und BoxD/D'
      (Konsensussequenz: CUGA). Während der C/D box sRNA Faltung
      bilden diese Motive Basenpaare (BoxC mit BoxD sowie BoxC' mit
      BoxD') und dadurch entstehen zwei Kink-turn Motive, die durch
      die Bindung von L7Ae stabilisiert werden. Die Sequenzen
      zwischen den BoxC und BoxD' bzw. BoxC' und BoxD Motiven
      weisen Komplementarität zu den Sequenzen der Ziel-RNA auf und
      dadurch bestimmen sie das Ribonukleotid an dem die Ribose
      2'-O-methyliert wird. Das Ribonukleotid der Ziel-RNA, das
      komplementär zum fünften Ribonukleotid stromaufwärts der
      BoxD/D' Motive ist, wird durch die Methyltransferase
      Fibrillarin modifiziert. Basierend auf den zur Ziel-RNA
      komplementären Bereichen, wurden die C/D box sRNA Ziele von
      sieben Archaeen vorhergesagt und in den Konsensusstrukturen
      der 16S und 23S rRNA gekennzeichnet. Konservierte
      Methylierungshotspots wurden in evolutionär ursprünglichen
      Kernregionen der rRNAs gefunden, die wichtig für den
      Ribosomenaufbau und die Ribosomenfunktionalität sind und
      nicht von ribosomalen Proteinen geschützt werden. Deshalb
      könnten die Modifikationen zur Faltung, Stabilisierung von
      Sekundärstrukturen sowie der Funktion der rRNA beitragen. In
      Archaeen ist die Biogenese der C/D box sRNAs weitgehend
      unbekannt, da für die Mehrheit der C/D box sRNA Gene keine
      eigenen Promotoren identifiziert werden konnten. Die Analyse
      des genomischen Kontexts von C/D box sRNA Genen in diversen
      Archaeen hat gezeigt, dass dieser sehr unterschiedlich sein
      kann. Es wurden verschiedene C/D box sRNA Gen Lokalisierungen
      gefunden, bei denen die Transkription ohne das Vorhandensein
      eines eigenen Promotors möglich ist. Es konnten z.B. C/D box
      sRNA Gene identifiziert werden die in 5' oder 3'-UTRs von
      flankierenden protein-codierenden Bereichen liegen sowie
      Cluster von mehreren C/D box sRNA Genen, die polycistronisch
      transkribiert werden. Um die C/D box sRNA Stabilisierungs-
      und Reifungs-Voraussetzungen zu identifizieren, wurden
      Plasmid-basierte in vivo Analysen in Sulfolobus
      acidocaldarius durchgeführt, wobei C/D box sRNA Gen Varianten
      mit den nativen oder beliebigen stromaufwärts und
      stromabwärts gelegenen Sequenzen genutzt wurden. Die Analysen
      haben gezeigt, dass die Reifung der C/D box sRNAs unabhängig
      von den stromaufwärts oder stromabwärts gelegenen Sequenzen
      ist. Die Integrität des k-turns ist wichtig für die C/D box
      sRNA Stabilität. C/D box sRNAs weisen eine transkriptionale
      Plastizität auf und die Reifung der RNAs scheint die
      Aktivität von unspezifischen Exoribonukleasen einzuschließen.
      Die vollständige Degradation der C/D box sRNAs könnte durch
      die co-transkriptionale Assemblierung von L7Ae oder des
      kompletten C/D box sRNPs verhindert werden. In verschiedenen
      hyperthermophilen Archaeen kommen zudem zirkuläre Formen der
      C/D box sRNAs vor, die wahrscheinlich einen Schutz vor
      Degradation darstellen. Es konnte gezeigt werden, dass die
      stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Sequenzen der C/D
      box sRNA Gene für die Zirkularisierung nicht relevant sind,
      allerdings muss die für die Zirkularisierung zuständige
      Ligase noch identifiziert werden. Somit liefert diese Arbeit
      Einblicke in die Transkription und Reifung von C/D box sRNAs
      in Archaeen und zeigt, dass konservierte
      2'-O-Methylierungsmuster in rRNAs von Archaeen
      existieren.