Identification of novel therapeutic targets to modulate proteostasis in humans

Abstract

Transfer RNAs (tRNAs) are a class of small non-coding RNA molecules essential for mRNA translation and cellular homeostasis. After transcription, tRNAs undergo various chemical modifications, catalyzed by different classes of tRNA modifying enzymes. These modifications have a profound impact on the structure, stability, and accurate decoding of mRNA sequences by tRNAs. In addition, they also influence the generation of tRNA-derived small RNAs, known as tsRNAs, adding an extra layer of complexity to the regulatory functions of tRNAs. Dysregulation of tRNA modifications can lead to increased missense errors, impaired codon decoding, and protein aggregation, contributing to cellular dysfunction. Growing evidence suggests a link between tRNA hypomodification, abnormal expression of tRNA modifying enzymes, and protein conformational diseases, including neurodegenerative and metabolic disorders. However, the precise mechanisms underlying the relationship between tRNA modifications levels and proteostasis imbalance are not fully understood. This study hypothesizes that the dysregulation of tRNA modifying enzymes affects translation efficiency, promoting protein aggregation, and activation of the cellular integrated stress response, particularly when it leads to tRNA hypomodification. Therefore, the main aim of this thesis was to investigate the impact of tRNA modifying enzymes on protein aggregation and its implications for human health. In this study, the critical role of wobble uridine tRNA modifying enzymes in maintaining the delicate balance between protein synthesis and degradation in different human cell lines was demonstrated. Furthermore, this research highlighted the relevance of ELP3 and its associated tRNA modifications in preserving proteostasis in amyloid-based models of Alzheimer's disease. This emphasizes the potential of tRNA modification modulation as a therapeutic approach for neurodegenerative disorders. Additionally, the influence of TRMT2A expression on the generation of tsRNAs was demonstrated, shedding light on its role in regulating the production of these molecules and its impact on cellular homeostasis. Overall, this thesis provides valuable insights into the critical functions of tRNA modifying enzymes and their involvement in proteostasis maintenance, with potential implications for the development of novel therapeutic strategies for protein conformational diseases.

Os RNAs de transferência (tRNAs) são uma classe de pequenas moléculas de RNA não codificantes essenciais para a tradução e a homeostase celular. Após a transcrição, os tRNAs passam por várias modificações químicas, catalisadas por diferentes classes de enzimas modificadoras de tRNAs. Essas modificações têm um profundo impacto na estrutura, estabilidade e descodificação precisa de sequências de mRNA pelos tRNAs. Além disso, também influenciam a produção de pequenos RNAs derivados dos tRNAs, conhecidos como tsRNAs, acrescentando uma camada adicional de complexidade às funções regulatórias dos tRNAs. A desregulação das modificações dos tRNAs pode levar a erros missense, descodificação errada de codões e agregação de proteínas, contribuindo para a disfunção celular. Evidências crescentes sugerem uma ligação entre a hipomodificação dos tRNAs, expressão anormal de enzimas modificadoras dos tRNAs e doenças conformacionais proteicas, incluindo distúrbios neurodegenerativos e metabólicos. No entanto, os mecanismos moleculares subjacentes à relação entre os níveis de modificações dos tRNAs e o desequilíbrio da proteostase não são totalmente compreendidos. A hipótese de estudo desta tese é que a desregulação de enzimas modificadoras dos tRNAs afeta a eficiência da tradução proteica, especialmente quando essa desregulação leva a hipomodificação dos tRNAs, promovendo a agregação de proteínas e a ativação de mecanismos celulares de resposta ao stress. Como tal, esta tese teve como objetivo investigar o impacto das enzimas modificadoras dos tRNAs na agregação de proteínas e o estudo das suas implicações para a saúde humana. Neste trabalho ficou demonstrado o papel crítico das enzimas modificadoras dos tRNAs no nucleosídeo uridina, na posição 34, na manutenção do equilíbrio entre a síntese e a degradação de proteínas em diferentes linhas celulares humanas. Além disso, esta investigação destacou a relevância da enzima modificadora ELP3 e das modificações catalisadas pela mesma na preservação da proteostase em modelos amilóides da doença de Alzheimer. Isto enfatiza que a modulação dos níveis de modificações de tRNAs pode ser uma estratégia promissora para restaurar a proteostase em distúrbios neurodegenerativos. Além disso, esta tese demonstrou a influência da expressão da TRMT2A na geração de tsRNAs, destacando o seu papel na regulação da produção destes fragmentos e do seu impacto na homeostase celular. Em suma, a investigação científica aqui descrita forneceu conhecimentos valiosos sobre as funções cruciais das enzimas modificadoras dos tRNAs e do seu envolvimento na manutenção da proteostase, com possíveis implicações para o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas para doenças conformacionais proteicas.