Uncovering a novel function of the exonuclease Xrn1 in viral and cellular mRNA translation

Abstract

The exonuclease Xrn1 degrades messenger RNAs (mRNAs) and controls transcription. By using a model system that replicates brome mosaic virus (BMV) in yeast, here we show that Xrn1 promotes translation initiation of BMV RNA. This function is linked to the highly structured 5’UTR and the coding sequence. The exonuclease activity of Xrn1 is required for its role in viral RNA translation. In contrast, the role of Xrn1 in translation is independent from its function in transcription. Importantly, ribosome profiling analyses reveal that Xrn1 acts as a translational activator of a specific group of cellular mRNAs enriched for glycosylation functions. As for BMV RNA, these cellular mRNAs depend on the exonuclease activity of Xrn1 for translational activation and contain long and structured 5’UTR. Our results reveal a new cross-talk between mRNA degradation and translation, and uncover an unexpected function of the exonuclease Xrn1 in viral and cellular translational control.

Xrn1 és una exonucleasa que degrada l’ARN missatger (ARNm) i en regula la transcripció. Emprant un sistema model basat en el virus del mosaic del brom (BMV) i el llevat S. cerevisiae, en aquest treball es demostra que Xrn1 promou l’inici de la traducció de l’ARN viral. Aquesta funció en traducció està lligada a la regió no traduïda a l’extrem 5’ i a la seqüència codificant. L’activitat exonucleasa pròpia de Xrn1 és necessària per tal que actuï en traducció. En canvi, la funció de Xrn1 en transcripció és independent de la funció en traducció. Mitjançant estudis amb perfil de ribosomes, es va constatar que Xrn1 també actua com a activador de la traducció d’un subgrup d’ARNm cel·lulars. Aquests, codifiquen per funcions relacionades amb la glucosilació. Tal i com s’observa per l’ARN de BMV, aquests ARNm cel·lulars depenen de l’activitat exonucleasa de Xrn1 per a la seva traducció i tenen una elevada estructura secundària a la regió no traduïda de l’extrem 5’. En conjunt, els nostres resultats descriuen un nou exemple de la comunicació existent entre la degradació i la traducció de l’ARNm i revelen que Xrn1 té una funció inesperada en el control de la traducció de l’ARNm viral i cel·lular.

Xrn1 és una exonucleasa molt conservada entre espècies i que té un paper cabdal en la degradació de l’ARN missatger (ARNm) i la regulació de la transcripció. Emprant un sistema model basat en el virus del mosaic del brom (BMV) i el llevat Saccharomyces cerevisiae, en aquest treball es demostra que Xrn1 promou la traducció de l’ARN viral. Aquesta funció en traducció està lligada a la regió no traduïda a l’extrem 5’ i a la seqüència codificant. A més, mitjançant l’anàlisi amb perfils de polisomes s’observa que Xrn1 assisteix la iniciació de la traducció de l’ARN viral i que interacciona directament amb la maquinària de traducció. Tenint en compte que Xrn1 par����cipa en la degradació i la transcripció d’ARNm, es van crear diferents mutants per tal d’analitzar la relació entre aquestes funcions i el rol de Xrn1 en traducció. En primer lloc, es va observar que l’ac����vitat exonucleasa pròpia de Xrn1 és necessària per tal que Xrn1 actuï en traducció. Expressant la exonucleasa nuclear (Rat1) al citoplasma de cèl·lules xrn1∆, s’aconsegueix compensar els defectes en degradació de l’ARN i en la taxa de creixement. En canvi, no es rescaten els defectes en la traducció de l’ARN viral. En segon lloc, u����litzant un mutant de Xrn1 que no pot ser importat al nucli (Xrn1∆NLS) es va concloure que la funció de Xrn1 en transcripció és independent de la funció en traducció. Tot seguit, mitjançant estudis amb perfil de ribosomes, es va constatar que Xrn1 també actua com a ac����vador de la traducció d’un subgrup d’ARNm cel·lulars. Aquests, codifiquen per funcions relacionades amb la glucosilació i estan enriquits en proteïnes del re����cle endoplasmà����c. Tal i com s’observa per l’ARN de BMV, aquests ARNm cel·lulars depenen de l’ac����vitat exonucleasa de Xrn1 per a la seva traducció i tenen una elevada estructura secundària a la regió no traduïda de l’extrem 5’. En conjunt, els nostres resultats descriuen un nou exemple de la comunicació existent entre la degradació i la traducció de l’ARNm i revelen que Xrn1 té una funció inesperada en el control de la traducció de l’ARNm viral i cel·lular.

Programa de doctorat en Biomedicina