Identification of novel regulators of protein synthesis fidelity using high content genetic screens

Abstract

Protein synthesis is central to life and is being intensively studied at various levels. The exception is mRNA translational fidelity whose study has been hampered by technical difficulties in detecting amino acid misincorporations in proteins. Few genes have so far been associated to the control of protein synthesis fidelity and it is unclear how many genes control this biological process. We investigated the role of RNA modification by RNA modifying enzymes (RNAmods) in protein synthesis efficiency and accuracy. Our hypothesis was that RNAmods that modify tRNA nucleosides (tRNAmods) have a significant impact on protein synthesis through modulation of codonanticodon interactions. To address this issue, we focused our work on tRNAmods involved in the modification of tRNA anticodons. The biology of these enzymes is still poorly understood, but they are involved in RNA processing, stability and function and their deregulation is associated with cancer, neurodegenerative, metabolic and other diseases. We have set up a yeast genetic screen and used mass-spectrometry methods to determine the role of tRNAmods on proteome homeostasis. Our work identified a subgroup of yeast tRNAmods that play essential roles in protein synthesis fidelity and folding. The genes that encode insoluble proteins isolated from yeast cells lacking U34 modification were enriched in codon sites that are decoded by the hypomodified tRNAs. These aggregated proteins also participate in specific biological processes, suggesting that tRNAmods are linked to specific physiological pathways. Interestingly, we detected amino acid misincorporations at the codon sites decoded by the anticodons of the hypomodified tRNAs, demonstrating that tRNA U34 modifications control translational error rate.

A síntese proteica é central para a vida e tem sido extensivamente estudada a vários níveis. Contudo, o estudo da fidelidade da tradução do mRNA tem progredido lentamente devido a dificuldades técnicas na deteção de incorporações incorretas de aminoácidos nas proteínas. Poucos genes têm sido associados com o controlo da fidelidade da síntese proteica e não é evidente quais os genes que controlam este processo biológico. Nesta tese investigámos o papel da modificação dos nucleósidos do RNA na eficiência e precisão da síntese proteica. A nossa hipótese é que as enzimas que modificam nucleósidos do tRNA (tRNAmods) têm um impacto significativo na síntese proteica através da modulação das interações codão-anticodão. A biologia das tRNAmods e das modificações do tRNA são ainda pouco conhecidas, mas estão envolvidas na estabilidade e função do RNA e mutações nos seus genes causam doenças neurodegenerativas, metabólicas, cancro, entre outras. Neste projeto realizámos um rastreio genético em levedura com o objetivo de identificar tRNAmods que asseguram a homeostase do proteoma (proteostase) e usámos espectrometria de massa para clarificar o papel das tRNAmods na fidelidade da síntese proteica. Os resultados do estudo genético mostram que um sub-grupo de tRNAmods envolvidas na modificação de nucleósidos do anticodão do tRNA são essenciais para manter a estabilidade do proteoma. Outras tRNAmods estudadas não produziram impactos visíveis na proteostase. Os genes de proteínas agregadas que isolámos a partir de células de levedura com tRNAs hipomodificados são enriquecidos em codões descodificados por estes tRNAs. Os nossos dados mostram também que tais proteínas participam em processos biológicos específicos e têm níveis de aminoácidos errados mais elevados que as células wild-type. Estes dados mostram que certas modificações do tRNA são essenciais para a fisiologia celular, estabilidade do proteoma e fidelidade da síntese proteica.