Liquid-liquid phase separation (LLPS) mediates formation of membraneless condensates such as those associated with RNA processing, but the rules that dictate their assembly, substructure, and coexistence with other liquid-like compartments remain elusive. Here, we address the biophysical mechanism of this multiphase organization using quantitative reconstitution of cytoplasmic stress granules (SGs) with attached P-bodies in human cells. Protein-interaction networks can be viewed as interconnected complexes (nodes) of RNA-binding domains (RBDs), whose integrated RNA-binding capacity determines whether LLPS occurs upon RNA influx. Surprisingly, both RBD-RNA specificity and disordered segments of key proteins are non-essential, but modulate multiphase condensation. Instead, stoichiometry-dependent competition between protein networks for connecting nodes determines SG and P-body composition and miscibility, while competitive binding of unconnected proteins disengages networks and prevents LLPS. Inspired by patchy colloid theory, we propose a general framework by which competing networks give rise to compositionally specific and tunable condensates, while relative linkage between nodes underlies multiphase organization.

Mammalian stress granules (SGs) contain stalled translation preinitiation complexes that are assembled into discrete granules by specific RNA-binding proteins such as G3BP. We now show that cells lacking both G3BP1 and G3BP2 cannot form SGs in response to eukaryotic initiation factor 2α phosphorylation or eIF4A inhibition, but are still SG-competent when challenged with severe heat or osmotic stress. Rescue experiments using G3BP1 mutants show that G3BP1-F33W, a mutant unable to bind G3BP partner proteins Caprin1 or USP10, rescues SG formation. Caprin1/USP10 binding to G3BP is mutually exclusive: Caprin binding promotes, but USP10 binding inhibits, SG formation. G3BP interacts with 40S ribosomal subunits through its RGG motif, which is also required for G3BP-mediated SG formation. We propose that G3BP mediates the condensation of SGs by shifting between two different states that are controlled by binding to Caprin1 or USP10.

Cells have developed different mechanisms to respond to stress, including the formation of cytoplasmic foci known as stress granules (SGs). SGs are dynamic and formed as a result of stress-induced inhibition of translation. Despite enormous interest in SGs due to their contribution to the pathogenesis of several human diseases, many aspects of SG formation are poorly understood. SGs induced by different stresses are generally assumed to be uniform, although some studies suggest that different SG subtypes and SG-like cytoplasmic foci exist. Here, we investigated the molecular mechanisms of SG assembly and characterized their composition when induced by various stresses. Our data revealed stress-specific differences in composition, assembly and dynamics of SGs and SG-like cytoplasmic foci. Using a set of genetically modified haploid human cells, we determined the molecular circuitry of stress-specific translation inhibition upstream of SG formation and its relation to cell survival. Finally, our studies characterize cytoplasmic stress-induced foci related to, but distinct from, canonical SGs, and also introduce haploid cells as a valuable resource to study RNA granules and translation control mechanisms.

Stress-induced angiogenin (ANG)-mediated tRNA cleavage promotes a cascade of cellular events that starts with production of tRNA-derived stress-induced RNAs (tiRNAs) and culminates with enhanced cell survival. This stress response program relies on a subset tiRNAs that inhibit translation initiation and induce the assembly of stress granules (SGs), cytoplasmic ribonucleoprotein complexes with cytoprotective and pro-survival properties. SG-promoting tiRNAs bear oligoguanine motifs at their 5'-ends, assemble G-quadruplex-like structures and interact with the translational silencer YB-1. We used CRISPR/Cas9-based genetic manipulations and biochemical approaches to examine the role of YB-1 in tiRNA-mediated translational repression and SG assembly. We found that YB-1 directly binds to tiRNAs via its cold shock domain. This interaction is required for packaging of tiRNA-repressed mRNAs into SGs but is dispensable for tiRNA-mediated translational repression. Our studies reveal the functional role of YB-1 in the ANG-mediated stress response program.

Summary Proper defense against microbial infection depends on the controlled activation of the immune system. This is particularly important for the RIG-I-like receptors (RLRs), which recognize viral dsRNA and initiate antiviral innate immune responses with the potential of triggering systemic inflammation and immunopathology. Here we show that stress granules (SGs), molecular condensates that form in response to various stresses including viral dsRNA, play key roles in controlled activation of RLR signaling. Without the SG nucleators G3BP1/2 and UBAP2L, dsRNA triggers excessive inflammation and immune-mediated apoptosis. In addition to exogenous dsRNA, we find that host-derived dsRNA generated in response to ADAR1 deficiency is also controlled by SG biology. Intriguingly, SGs can function beyond immune control by suppressing viral replication independent of the RLR pathway. These observations thus highlight the multi-functional nature of SGs as cellular “shock absorbers” that converge on protecting cell homeostasis–by dampening both toxic immune response and viral replication.

ABSTRACT Biogenesis of different classes of eukaryotic RNAs proceeds via different pathways that require strict spatiotemporal resolution. The intracellular organization has evolved to provide order for RNA processing to coordinate different maturation steps with specific enzymatic reaction. In higher eukaryotes, processing of transfer RNAs (tRNAs) is postulated to be almost entirely intranuclear, while in lower eukaryotes like yeast, tRNA maturation is both nuclear and cytoplasmic. Here, we show that tRNA processing is largely cytosolic event in human cells. After transcription, unprocessed precursors of tRNAs (pre-tRNAs) bound by La protein are exported from the nucleus into the cytoplasm. Using cell fractionation analysis and pre-tRNA-specific fluorescence in situ hybridization (FISH) protocol, we show tRNA splicing/ligation and end-processing takes place in the cytoplasm where majority of processing enzymes is also located. We propose here a model where processing of intron-less and intron-containing pre-tRNAs is cytoplasmic similarly to the observed in lower eukaryotes, although tRNA splicing precedes 5’- and 3’-end processing in human cells unlike in yeast.

ABSTRACT Production of ribosomes is an energy-intensive process owing to the intricacy of these massive macromolecular machines. Each human ribosome contains 80 ribosomal proteins and four non-coding RNAs. Accurate assembly requires precise regulation of protein and RNA subunits. In response to stress, the integrated stress response (ISR) rapidly inhibits global translation. How rRNA is coordinately regulated with the rapid inhibition of ribosomal protein synthesis is not known. Here we show that stress specifically inhibits the first step of rRNA processing. Unprocessed rRNA is stored within the nucleolus, and, when stress resolves, it re-enters the ribosome biogenesis pathway. Retention of unprocessed rRNA within the nucleolus aids in the maintenance of this organelle. This response is independent of the ISR or inhibition of cellular translation but represents an independent stress-response pathway that we term Ribosome Biogenesis Stress Response (RiBiSR). Failure to coordinately regulate ribosomal protein translation and rRNA production results in nucleolar fragmentation. Our study unveils a novel stress response pathway that aims at conserving energy, preserving the nucleolus, and prevents further stress by regulation of rRNA processing.

ABSTRACT Platinum-based antineoplastic drugs, such as cisplatin, are commonly used to induce tumor cell death. Cisplatin is believed to induce apoptosis as a result of cisplatin-DNA adducts that inhibit DNA and RNA synthesis. Although idea that DNA damage underlines anti-proliferative effects of cisplatin is dominant in cancer research, there is a poor correlation between the degree of the cell sensitivity to cisplatin and the extent of DNA platination. Here, we propose a novel mechanism of cisplatin-mediated cytotoxicity. We show that cisplatin suppresses formation of Stress Granules (SGs), pro-survival RNA granules with multiple roles in cellular metabolism. Mechanistically, cisplatin inhibits cellular translation to promote disassembly of polysomes and aggregation of ribosomal subunits. As SGs are in equilibrium with polysomes, cisplatin-induced shift towards ribosomal aggregation suppresses SG formation and promotes cellular death. Our data also explain nephrotoxic, neurotoxic and ototoxic effects of cisplatin treatment.

Transfer RNAs (tRNAs) are the key adaptor molecules aiding protein synthesis. Hundreds of tRNA genes are found in the human genome but the biological significance of this genetic excess is still enigmatic. The tRNA repertoires are variable between tissues and cells as well as during development. Such variations can only be partially explained by the correlation to the physiological needs in protein production, e.g. by changes in the expression of tRNA isoacceptor sets (tRNAs charged with the same amino acid but bearing different anticodons). However, changes in the expression levels of individual isodecoders (tRNAs with the same anticodon) are less understood. Besides canonical functions in mRNA translation, tRNAs are implicated in non-canonical functions unrelated to protein synthesis. tRNAs are rich source of small non-protein coding RNAs called tRNA-derived RNAs (tDRs), which include tRNA-derived stress-induced RNAs (tiRNAs) formed in response to stress. Here, we show that tiRNAs derived from isodecoders different in a single nucleotide can also differ in their activities. Specifically, we show that isodecoder sets for tRNA

ABSTRACT G-Protein Pathway Suppressor 2 (GPS2) was recently identified as an endogenous inhibitor of non-proteolytic ubiquitination mediated by the E2 ubiquitin-conjugating enzyme Ubc13. GPS2-mediated restriction of K63 ubiquitination is associated with the regulation of insulin signaling, inflammation and mitochondria-nuclear communication, however a detailed understanding of the targets of GPS2/Ubc13 activity is currently lacking, Here, we have dissected the GPS2-regulated K63 ubiquitome in mouse embryonic fibroblasts and human breast cancer cells, unexpectedly finding an enrichment for proteins involved in RNA binding and translation. Characterization of putative targets, including the RNA-binding protein PABPC1 and translation factor eiF3m, revealed a strategy for regulating the mitochondria-associated translation of selected mRNAs via Mul1-mediated ubiquitination. Our data indicate that removal of GPS2-mediated inhibition, either via genetic deletion or stress-induced nuclear translocation, promotes the ubiquitination of mitochondria-associated translation factors leading to increased expression of an adaptive antioxidant program. In light of GPS2 role in nuclear-mitochondria communication, these findings reveal an exquisite regulatory network for modulating mitochondrial gene expression through spatially coordinated transcription and translation.