Dissertation submitted to the Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany for the degree of Doctor of Natural Sciences Presented by Dipl. Biochemist Birgit Rogell born in Speyer (Germany) nd Oral-examination: 2 November 2016 Exploring the biology of RNPs: specific capture of RNPs using antisense locked nucleic acids Referees: 1. Dr. Anne Ephrussi 2. Prof. Dr. Ralf Bartenschlager Abstract Abstract RNA-binding proteins (RBPs) are central players in cell biology and respond to a multitude of cellular cues and environmental stimuli. Identification of RBPs associated with specific transcripts in a cell is a challenging task; and the available strategies to purify specific transcripts and their bound proteome face numerous limitations. Thus, methods to determine the composition of proteins on a given RNA are required to further understand the regulation and biological function of any given RNA. Therefore, the focus of my PhD project was to develop a highly specific and selective method, “specific Ribonucleoprotein (RNP) capture”, to isolate a specific RNA species together with its bound proteome. Following irradiation with ultraviolet (UV) light that creates a covalent bond between RNA and protein, RNAs are captured using short LNA (locked nucleic acid)/DNA mixmer antisense probes coupled to a solid support.The proteins covalently linked to the isolated RNA are then identified by quantitative mass spectrometry. First, I successfully established the method for this application in vitro. Mass spectrometry data revealed that the protein Sister of Sex lethal (Ssx) has similar binding preferences to a mRNA derived from male-specific lethal (msl)2 mRNA as its paralog Sxl in Drosophila melanogaster embryo extracts. This demonstrated the specificity and selectivity of the method and provided direct experimental evidence for Ssx-RNA binding. Following these experiments, I extended the protocol to in-cell applications, focusing on the 18S and 28S ribosomal RNA (rRNA) of HeLa cells. Compared to bacteria, eukaryotic rRNAs possess “expansion segments” with much to be learnt about their bound RBPs and function. The high specificity of the method allowed me to generate distinct proteomic datasets for these two rRNAs. The method’s excellent biochemical performance is reflected by the overlap of these datasets with previous literature information on the cytoplasmic ribosome and system-wide screens of ribosomal biogenesis. Notably, my data revealed a strong connection between heterogeneous ribonucleoproteins (HNRNPs) and ribosomal RNA biogenesis, which is an unexplored area of research. In 1 Abstract summary, “specific RNP capture” allows identification of a given RNAs proteome and can be applied to both in vitro and cultured cells systems. 2 Zusammenfassung Zusammenfassung Erforschung der Biologie von Ribonukleoprotein Komplexen: spezifische Aufreinigung von Ribonukleoproteinkomplexen mit komplementären modifizierten Oligonukleotiden (Locked Nucleic Acids) RNA-Bindeproteine (RBPs) sind wichtige und zentrale Moleküle in der Zellbiologie, da sie dynamisch auf verschiedene Stimuli und zelluläre Stresssituation reagieren können. Die Aufreinigung von einem spezifischen Transkript mit den gebunden RBPs unterliegt vielerlei Limitierungen, sodass zu Beginn meiner Doktorarbeit ein Bedarf an Methoden bestand, um neue biologische Fragestellen zu einer spezifischen RNA zu beantworten. Der Fokus dieser Doktorarbeit lag daher in der Entwicklung einer spezifischen und selektiven Aufreinigungsstrategie von Ribonukleoproteinen („specific Ribonuleoprotein capture“, „specific RNP capture“). Diese neu entwickelte Methode erlaubt eine Aufreinigung einer spezifischen RNA zusammen mit den gebundenen Protein-Interaktionspartnern. Direkte RNA-Protein Interaktionen werden durch Bestrahlung mit ultravioletten Licht fixiert. Die RNA mit den direkt daran gebunden Proteinen wird dann mit Hilfe von kurzen komplementären Oligonukleotidsequenzen, welche kovalent an magnetische Partikel gekoppelt sind und aus einer Mixtur von Locked Nucleic Acids (LNA) und DNA bestehen, herausgezogen. Proteine, welche an der spezifischen RNA gebunden sind, können schließlich über quantitative Massenspektrometrie analysiert und identifiziert werden. Zunächst habe ich „specific RNP capture“ für die in vitro Anwendung etabliert. Mit der massenspektrometrischen Analyse konnte ich dabei aufdecken, dass das Protein Sister of Sex lethal (Ssx) in Drosophila melanogaster Embryo Extrakten ähnliche Sequenzbindungspräferenzen, kommend aus der mRNA von male-specific lethal (msl)2 mRNA, wie dessen Paralog Sxl besitzt. Mit den Ergebnissen dieses Experiments konnte ich die Spezifität und Selektivität der Methode demonstrieren und zugleich experimentellen Beweis für die Ssx-RNA Bindung liefern. Danach erweiterte ich die Anwendung der Methode auf die Aufreinigung von spezifischen endogenen RNA Spezies in humanen Zellen. Ich fokussierte mich 3 auf die spezifische Aufreinigung der 18S und 28S ribosomalen RNA (rRNA) von HeLa Zellen. In Vergleich zu Bakterien besitzt eukaryotische rRNA sogenannte „Expansion Segments“ (interne Einlagerung und Evolution von Nukleotiden in die konservierte rRNA Sequenz). Da noch wenig über diese „Expansion Segments“ und deren gebundenen RNA-Bindeproteine bekannt ist, ist eine generelle Studie Bindepartner von rRNA interessant und ermöglicht eine zukünftige Erweiterung der Methode auf Region-spezifische Anreicherung von den rRNA „Expansion Segments“ und deren gebunden Proteinen. Die spezifische Isolation der 18S und 28S rRNA erlaubte mir die Generierung von spezifischen Proteindatensätzen der jeweiligen rRNA. Die exzellente biochemische Leistung der Methode zeigte sich insbesondere in der Re- Identifizierung von Proteinen des zytoplasmatischen Ribosoms und Proteinen, welche in der Biogenese des Ribosoms involviert sind. Darüber hinaus konnte ich neue Proteine identifizieren, welche eine mögliche Rolle in der ribosomalen Funktion oder Biogenese haben könnten. Beachtenswert war die Anreicherung von HNRNP Proteinen (heterogenous ribonucleoproteins) als größere Gruppierung in den rRNA Interaktionsdatensätzen. HNRNP Proteine wurden als RNA Bindeproteine bisher hauptsächlich mit der Reifung von mRNA in Verbindung gebracht. Zusammengefasst beschreibt meine Arbeit die Etablierung der neuen Methode „specific RNP capture“ (spezifische Aufreinigung von Ribonukleoprotein Komplexen), welche eine Aufreinigung von einer spezifischen RNA Spezies zusammen mit den direkt gebundenen Proteinen erlaubt. Ich konnte zeigen, dass diese Methode sowohl für den in vitro Gebrauch als auch für den Gebrauch in Zellen geeignet ist. In den Experimenten in humanen Zellen konnte ich neben bekannten rRNA Interaktionspartnern, Proteine identifizieren, welche eine mögliche neue Funktion in der Biologie der rRNA oder des Ribosoms einnehmen könnten. 4 Table of Contents Table of Contents ABSTRACT ................................................................................................................................... 1 ZUSAMMENFASSUNG ................................................................................................................ 3 TABLE OF CONTENTS ................................................................................................................ 5 LIST OF FIGURES ........................................................................................................................ 7 LIST OF TABLES ......................................................................................................................... 8 1 INTRODUCTION ................................................................................................................... 9 1.1 THE DISCOVERY OF RNA AS A CENTRAL PLAYER IN BIOLOGY ............................................ 9 1.2 THE FUNCTIONAL DIVERSITY OF RNA ............................................................................... 9 1.3 FROM RNA-BINDING PROTEINS TO RIBONUCLEOPROTEIN COMPLEXES ............................. 12 1.4 THE CENTRAL ROLE OF RBPS IN POST TRANSCRIPTIONAL GENE REGULATION .................. 13 1.4.1 Sxl, a paradigmatic RBP involved in posttranscriptional control during Drosophila development ........................................................................................................................ 17 1.5 THE RIBOSOME ............................................................................................................. 19 1.5.1 Ribosomes –macromolecular complexes made of rRNAs and proteins ................. 19 1.5.2 Expansions of rRNA in eukaryotes – the ribosomal expansion segments .............. 21 1.5.3 The ribosome – a molecular machine ..................................................................... 22 1.5.4 The birth of the ribosome – ribosomal biogenesis .................................................. 24 1.6 RBP ANALYSIS .............................................................................................................. 27 1.6.1 Genome wide discovery of RBPs ............................................................................ 27 1.6.2 Studying the posttranscriptional networks of RBPs ................................................ 32 1.6.3 RBP identification of specific RNA species ............................................................. 34 1.7 AIMS OF THIS THESIS ..................................................................................................... 38 2 RESULTS AND DISCUSSION ..........................................................................................