Synonymous mutations do not alter the encoded protein, but they can influence gene expression. To investigate how, we engineered a synthetic library of 154 genes that varied randomly at synonymous sites, but all encoded the same green fluorescent protein (GFP). When expressed in Escherichia coli , GFP protein levels varied 250-fold across the library. GFP messenger RNA (mRNA) levels, mRNA degradation patterns, and bacterial growth rates also varied, but codon bias did not correlate with gene expression. Rather, the stability of mRNA folding near the ribosomal binding site explained more than half the variation in protein levels. In our analysis, mRNA folding and associated rates of translation initiation play a predominant role in shaping expression levels of individual genes, whereas codon bias influences global translation efficiency and cellular fitness.

MicroRNAs (miRNAs) play key roles in gene regulation, but reliable bioinformatic or experimental identification of their targets remains difficult. To provide an unbiased view of human miRNA targets, we developed a technique for ligation and sequencing of miRNA-target RNA duplexes associated with human AGO1. Here, we report data sets of more than 18,000 high-confidence miRNA-mRNA interactions. The binding of most miRNAs includes the 5′ seed region, but around 60% of seed interactions are noncanonical, containing bulged or mismatched nucleotides. Moreover, seed interactions are generally accompanied by specific, nonseed base pairing. 18% of miRNA-mRNA interactions involve the miRNA 3′ end, with little evidence for 5′ contacts, and some of these were functionally validated. Analyses of miRNA:mRNA base pairing showed that miRNA species systematically differ in their target RNA interactions, and strongly overrepresented motifs were found in the interaction sites of several miRNAs. We speculate that these affect the response of RISC to miRNA-target binding.

We identified a complex in S. cerevisiae, the “exosome,” consisting of the five essential proteins Rrp4p, Rrp41p, Rrp42p, Rrp43p, and Rrp44p (Dis3p). Remarkably, four of these proteins are homologous to characterized bacterial 3′→5′ exoribonucleases; Rrp44p is homologous to RNase II, while Rrp41p, Rrp42p, and Rrp43p are related to RNase PH. Recombinant Rrp4p, Rrp44p, and Rrp41p are 3′→5′ exoribonucleases in vitro that have distributive, processive, and phosphorolytic activities, respectively. All components of the exosome are required for 3′ processing of the 5.8S rRNA. Human Rrp4p is found in a comparably sized complex, and expression of the hRRP4 gene in yeast complements the rrp4-1 mutation. We conclude that the exosome constitutes a highly conserved eukaryotic RNA processing complex.

Summary

 The exosome complex of 3′–5′ exonucleases participates in RNA maturation and quality control and can rapidly degrade RNA-protein complexes in vivo. However, the purified exosome showed weak in vitro activity, indicating that rapid RNA degradation requires activating cofactors. This work identifies a nuclear polyadenylation complex containing a known exosome cofactor, the RNA helicase Mtr4p; a poly(A) polymerase, Trf4p; and a zinc knuckle protein, Air2p. In vitro, the Trf4p/Air2p/Mtr4p polyadenylation complex (TRAMP) showed distributive RNA polyadenylation activity. The presence of the exosome suppressed poly(A) tail addition, while TRAMP stimulated exosome degradation through structured RNA substrates. In vivo analyses showed that TRAMP is required for polyadenylation and degradation of rRNA and snoRNA precursors that are characterized exosome substrates. Poly(A) tails stimulate RNA degradation in bacteria, suggesting that this is their ancestral function. We speculate that this function was maintained in eukaryotic nuclei, while cytoplasmic mRNA poly(A) tails acquired different roles in translation.

We have generated temperature-sensitive lethal point mutations in the small nucleolar RNA-associated protein fibrillarin (encoded by the NOP1 gene in yeast) and analyzed their effects on ribosome synthesis. The five alleles tested all prevent synthesis of normal ribosomes, but in dramatically different ways. At the non-permissive temperature, the nop1.2 and nop1.5 alleles prevent synthesis of both 18S and 25S rRNA and all pre-rRNA species except the 35S primary transcript. In contrast, the nop1.3, nop1.4, and nop1.7 alleles do not strongly impair processing. In nop1.3 strains, nucleolar methylation of pre-rRNA is strongly inhibited; late, cytoplasmic methylation of 18S rRNA and tRNA methylation continue. The nop1.4 and nop1.7 alleles result in the synthesis of cytoplasmic 60S ribosomal subunits with strongly aberrant mobilities on sucrose gradients even at the permissive temperature, owing to the impairment of a late step in ribosome assembly. Thus, all major posttranscriptional activities in ribosome synthesis, pre-rRNA processing, pre-rRNA modification, and ribosome assembly are dependent on fibrillarin.

Abstract

 We report the characterization of early pre-ribosomal particles. Twelve TAP-tagged components each showed nucleolar localization, sedimented at approximately 90S on sucrose gradients, and coprecipitated both the 35S pre-rRNA and the U3 snoRNA. Thirty-five non-ribosomal proteins were coprecipitated, including proteins associated with U3 (Nop56p, Nop58p, Sof1p, Rrp9, Dhr1p, Imp3p, Imp4p, and Mpp10p) and other factors required for 18S rRNA synthesis (Nop14p, Bms1p, and Krr1p). Mutations in components of the 90S pre-ribosomes impaired 40S subunit assembly and export. Strikingly, few components of recently characterized pre-60S ribosomes were identified in the 90S pre-ribosomes. We conclude that the 40S synthesis machinery predominately associates with the 35S pre-rRNA factors, whereas factors required for 60S subunit synthesis largely bind later, showing an unexpected dichotomy in binding.

Christine Allmang, Elisabeth Petfalski, Alexandre Podtelejnikov, Matthias Mann, David Tollervey, and Philip Mitchell Institute of Cell and Molecular Biology, University of Edinburgh, Edinburgh EH9 3JR UK; CEBI Odense University, DK-5230 Odense M, Denmark

Pre-rRNA transcription by RNA Polymerase I (Pol I) is very robust on active rDNA repeats. Loss of yeast Topoisomerase I (Top1) generated truncated pre-rRNA fragments, which were stabilized in strains lacking TRAMP (Trf4/Trf5-Air1/Air2-Mtr4 polyadenylation complexes) or exosome degradation activities. Loss of both Top1 and Top2 blocked pre-rRNA synthesis, with pre-rRNAs truncated predominately in the 18S 5' region. Positive supercoils in front of Pol I are predicted to slow elongation, while rDNA opening in its wake might cause R-loop formation. Chromatin immunoprecipitation analysis showed substantial levels of RNA/DNA hybrids in the wild type, particularly over the 18S 5' region. The absence of RNase H1 and H2 in cells depleted of Top1 increased the accumulation of RNA/DNA hybrids and reduced pre-rRNA truncation and pre-rRNA synthesis. Hybrid accumulation over the rDNA was greatly exacerbated when Top1, Top2, and RNase H were all absent. Electron microscopy (EM) analysis revealed Pol I pileups in the wild type, particularly over the 18S. Pileups were longer and more frequent in the absence of Top1, and their frequency was exacerbated when RNase H activity was also lacking. We conclude that the loss of Top1 enhances inherent R-loop formation, particularly over the 5' region of the rDNA, imposing persistent transcription blocks when RNase H is limiting.

Research Article1 March 1991free access The small nucleolar RNP protein NOP1 (fibrillarin) is required for pre-rRNA processing in yeast. D. Tollervey D. Tollervey EMBL, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author H. Lehtonen H. Lehtonen EMBL, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author M. Carmo-Fonseca M. Carmo-Fonseca EMBL, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author E. C. Hurt E. C. Hurt EMBL, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author D. Tollervey D. Tollervey EMBL, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author H. Lehtonen H. Lehtonen EMBL, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author M. Carmo-Fonseca M. Carmo-Fonseca EMBL, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author E. C. Hurt E. C. Hurt EMBL, Heidelberg, Germany. Search for more papers by this author Author Information D. Tollervey1, H. Lehtonen1, M. Carmo-Fonseca1 and E. C. Hurt1 1EMBL, Heidelberg, Germany. The EMBO Journal (1991)10:573-583https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1991.tb07984.x PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info The yeast snoRNP protein, NOP1, is structurally and functionally homologous to vertebrate fibrillarin and is essential for viability. A conditionally lethal allele was constructed by placing NOP1 expression under the control of a GAL promoter. Growth on glucose medium results in the depletion of NOP1 over several generations, during which cell growth is progressively impaired. Pulse labelling of proteins shows that NOP1 depleted strains are greatly impaired in the production of cytoplasmic ribosomes, and they have a reduced level of rRNA. Northern hybridization and pulse-chase labelling of pre-rRNA show a progressive impairment of all pre-rRNA processing steps. The pathway leading to 18S rRNA is particularly affected. Methylation of pre-rRNA is concomitantly impaired and unmethylated pre-rRNA accumulates and is not processed over long periods. NOP1 depletion does not prevent the accumulation of seven snoRNAs tested including U3; the levels of two species, U14 and snR190, decline. The snoRNAs synthesized in the absence of NOP1 retain TMG cap structures. Subnuclear fractionation and immunocytochemistry indicate that they continue to be localized in the nucleolus. Previous ArticleNext Article Volume 10Issue 31 March 1991In this issue RelatedDetailsLoading ...

The U3 small nucleolar ribonucleoprotein (snoRNP) plays an essential role in ribosome biogenesis but, like many RNA-protein complexes, its architecture is poorly understood. To address this problem, binding sites for the snoRNP proteins Nop1, Nop56, Nop58, and Rrp9 were mapped by UV cross-linking and analysis of cDNAs. Cross-linked protein-RNA complexes were purified under highly-denaturing conditions, ensuring that only direct interactions were detected. Recovered RNA fragments were amplified after linker ligation and cDNA synthesis. Cross-linking was successfully performed either in vitro on purified complexes or in vivo in living cells. Cross-linking sites were precisely mapped either by Sanger sequencing of multiple cloned fragments or direct, high-throughput Solexa sequencing. Analysis of RNAs associated with the snoRNP proteins revealed remarkably high signal-to-noise ratios and identified specific binding sites for each of these proteins on the U3 RNA. The results were consistent with previous data, demonstrating the reliability of the method, but also provided insights into the architecture of the U3 snoRNP. The snoRNP proteins were also cross-linked to pre-rRNA fragments, with preferential association at known sites of box C/D snoRNA function. This finding demonstrates that the snoRNP proteins directly contact the pre-rRNA substrate, suggesting roles in snoRNA recruitment. The techniques reported here should be widely applicable to analyses of RNA-protein interactions.