Ribosomal RNA (rRNA) transcription is regulated primarily at the level of initiation from rRNA promoters. The unusual kinetic properties of these promoters result in their specific regulation by two small molecule signals, ppGpp and the initiating NTP, that bind to RNA polymerase (RNAP) at all promoters. We show here that DksA, a protein previously unsuspected as a transcription factor, is absolutely required for rRNA regulation. In ΔdksA mutants, rRNA promoters are unresponsive to changes in amino acid availability, growth rate, or growth phase. In vitro, DksA binds to RNAP, reduces open complex lifetime, inhibits rRNA promoter activity, and amplifies effects of ppGpp and the initiating NTP on rRNA transcription, explaining the dksA requirement in vivo. These results expand our molecular understanding of rRNA transcription regulation, may explain previously described pleiotropic effects of dksA, and illustrate how transcription factors that do not bind DNA can nevertheless potentiate RNAP for regulation.

Abstract Duchenne muscular dystrophy (DMD) is an X-linked progressive muscle disorder resulting in muscle weakness and cardiomyopathy. MicroRNAs have been shown to play essential roles in muscle development, metabolism, and disease pathologies. We demonstrated that miR-486 expression is reduced in DMD muscles and its expression levels correlate with dystrophic disease severity. MicroRNA-486 knockout mice developed disrupted myofiber architecture, decreased myofiber size, decreased locomotor activity, increased cardiac fibrosis, and metabolic defects that were exacerbated on the dystrophic mdx 5cv background. We integrated RNA-sequencing and chimeric eCLIP-sequencing data to identify direct in vivo targets of miR-486 and associated dysregulated gene signatures in skeletal muscle. In comparison to our DMD mouse muscle transcriptomes, we identified several of these miR-486 muscle targets including known modulators of dystrophinopathy disease symptoms. Together, our studies identify miR-486 as a driver of muscle remodeling in DMD, a useful biomarker for dystrophic disease progression, and highlight chimeric eCLIP-sequencing as a useful tool to identify direct in vivo microRNA target transcripts. Abstract Figure

Abstract Ribosome biogenesis is a vital and energy-consuming cellular function occurring primarily in the nucleolus. Cancer cells have an especially high demand for ribosomes to sustain continuous proliferation. This study evaluated the impact of existing anticancer drugs on the nucleolus by screening a library of anticancer compounds for drugs that induce nucleolar stress. For a readout, a novel parameter termed “nucleolar normality score” was developed that measures the ratio of the fibrillar center and granular component proteins in the nucleolus and nucleoplasm. Multiple classes of drugs were found to induce nucleolar stress, including DNA intercalators, inhibitors of mTOR/PI3K, heat shock proteins, proteasome, and cyclin-dependent kinases (CDKs). Each class of drugs induced morphologically and molecularly distinct states of nucleolar stress accompanied by changes in nucleolar biophysical properties. In-depth characterization focused on the nucleolar stress induced by inhibition of transcriptional CDKs, particularly CDK9, the main CDK that regulates RNA Pol II. Multiple CDK substrates were identified in the nucleolus, including RNA Pol I – recruiting protein Treacle, which was phosphorylated by CDK9 in vitro . These results revealed a concerted regulation of RNA Pol I and Pol II by transcriptional CDKs. Our findings exposed many classes of chemotherapy compounds that are capable of inducing nucleolar stress, and we recommend considering this in anticancer drug development. Types of nucleolar stresses identified in this study (1) DNA intercalators and RNA Pol inhibitors induced canonical nucleolar stress manifested by partial dispersion of granular component (GC) and segregation of rDNA and fibrillar center (FC) components UBF, Treacle, and POLR1A within nucleolar stress caps. (2) Inhibition of mTOR and PI3K growth pathways induced a metabolic suppression of function accompanied by the decrease in nucleolar normality score, size, and rRNA production, without dramatic re-organization of nucleolar anatomy. (3) Inhibitors targeting HSP90 and proteasome induced proteotoxicity, resulting in the disruption of protein homeostasis and the accumulation of misfolded and/or undegraded proteins. These effects were accompanied by a decrease in nucleolar normality score, rRNA output, and in some cases formation of protein aggregates (aggresomes) inside the nucleolus. (4) Inhibition of transcriptional CDK activity led to the disruption of interactions between rDNA, RNA Pol I, and GC proteins. This resulted in almost complete nucleolar dissolution, leaving behind an extended bare rDNA scaffold with only a few associated FC proteins remaining. UBF and PolI-recruiting protein Treacle remained associated with the rDNA, while POLR1A and GC dispersed in the nucleoplasm. rRNA production ceased and the nucleolar normality score was greatly reduced.

RNA polymerase I (Pol I) is responsible for synthesizing ribosomal RNA, which is the rate limiting step in ribosome biogenesis. We have reported wide variability in the magnitude of the rate constants defining the rate limiting step in sequential nucleotide additions catalyzed by Pol I. in this study we sought to determine if base identity impacts the rate limiting step of nucleotide addition catalyzed by Pol I. To this end, we report a transient state kinetic interrogation of AMP, CMP, GMP, and UMP incorporations catalyzed by Pol I. We found that Pol I uses one kinetic mechanism to incorporate all nucleotides. However, we found that UMP incorporation is faster than AMP, CMP, and GMP additions. Further, we found that endonucleolytic removal of a dimer from the 3′ end was fastest when the 3′ terminal base is a UMP. It has been previously shown that both downstream and upstream template sequence identity impacts the kinetics of nucleotide addition. The results reported here show that the incoming base identity also impacts the magnitude of the observed rate limiting step.

Eukaryotes express at least three RNA polymerases (Pols) carry out transcription, while bacteria and archaea use only one. Using transient state kinetics, we have extensively examined and compared the kinetics of both single and multi-nucleotide additions catalyzed by the three Pols. In single nucleotide addition experiments we have observed unexpected extension products beyond one incorporation, which can be attributed to misincorporation, the presence of nearly undetectable amounts of contaminating NTPs, or a mixture of the two. Here we report the development and validation of an analysis strategy to account for the presence of unexpected extension products, when they occur. Using this approach, we uncovered evidence showing that non-cognate nucleotide, thermodynamically, competes with cognate nucleotide for the active site within the elongation complex of Pol I, ΔA12 Pol I, and Pol II. This observation is unexpected because base pairing interactions provide favorable energetics for selectivity and competitive binding indicates that the affinities of cognate and non-cognate nucleotides are within an order of magnitude. Thus, we show that application of our approach will allow for the extraction of additional information that reports on the energetics of nucleotide entry and selectivity.

The human genome consists of 625 tDNA copies that encode 51 distinct isoacceptor families. Recent studies demonstrated that changes in chromatin structure during cellular differentiation can alter the expression of these tDNA. However, the mechanism by which tDNA can be differentially regulated remains unclear. Here we used the directed differentiation of pluripotent human embryonic stem cells (hESCs) towards the endoderm lineage as a model system to study the developmental regulation of individual tDNA. We demonstrated a significant change in the Pol III occupancy at 49 tDNA (22 reduced and 27 increased). The regulation of tDNA did not correlate with changes in TFIIIB or TFIIIC occupancy, H3K4me3, or H3K27me3 levels. However, tDNA that had an increase in Pol III binding were preferentially found within strong CTCF-COHESIN chromatin loops. The knockdown of either Ctcf or Rad21 in mouse tail tip fibroblasts had similar effects on changes in tRNA levels. We identified 7 isoacceptors that were differentially expressed during the directed differentiation of hESCs. The open reading frames of the ribosomal protein genes, which are translationally repressed during hESC differentiation, are enriched for codons that are decoded by these downregulated isoacceptors. Thus, translation efficiency during cellular differentiation may be affected by changes in tDNA regulation.