AJ
Alain Jacquier
Author with expertise in Regulation of RNA Processing and Function
Achievements
Cited Author
Open Access Advocate
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
18
(61% Open Access)
Cited by:
5,582
h-index:
55
/
i10-index:
80
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Comparison of fungal mitochondrial introns reveals extensive homologies in RNA secondary structure

François Michel et al.Oct 1, 1982
Les séquences complètes de neuf introns mitochondriaux de Saccharomyces cerevisiae ont déjà été publiées, révélant la présence de longues phases de lecture protéique chez six d'entre eux. Nous avons récement déterminé la séquence d'un intron inséré dans le gros RNA ribosomique mitochondrial de Kluyveromyces thermotolerans (Jacquier et al., en préparation). Cette séquence est étroitement apparentée à celle de l'intron correspondant de S. cerevisiae, donnée qui nous a conduit à rechercher systématiquement d'éventuels éléments homologues dans les autres séquences introniques disponibles, au moyen de programmes d'ordinateur spécialement conçus pour cette tâche. Nous avons ainsi découvert que l'évolution des introns mitochondriaux des champignons avait respecté diverses courtes séquences ainsi qu'un nombre inattendu d'hélices potentielles. Sept au moins des séquences disponibles peuvent être repliées selon un ensemble complexe de structures secondaires s'organisant autour d'un cœur essentiellement invariable. Ces modèles: 1) comportent une longue boucle périphérique constituée par l'ensemble ou la plus grande partie de la phase de lecture; 2) rapprochent considérablement les jonctions intron-exon l'une de l'autre. Ces résultats, ainsi que leurs implications pour le mécanisme de l'épissage, sont discutés dans le cadre des données génétiques et biochimiques actuellement disponibles. The complete sequences of nine Saccharomyces cerevisiae mitochondrial introns, six of which carry long open reading frames, have already been published. We have recently determined the sequence of an intron in the large ribosomal mitochondrial RNA of Kluyveromyces thermotolerans (Jacquier et al., in preparation), which we found to be closely related to its S. cerevisiae counterpart. This latter result prompted us to undertake a systematic search for possible homologous elements in the other, available sequences with the help of an original computer program. A previously unsuspected wealth of evolutionarily conserved sequences and secondary structures was thus uncovered. Seven at least of the available sequences may be folded up into elaborate secondary structure models, the cores of which are nearly identical. These models result in bringing together the exon-intron junctions into relatively close spatial proximity and looping out either all or most of the sequences in open reading frame, when present. These results and their possible implications with respect to the mechanism of splicing are discussed in the light of available genetic and biochemical data.
0
Citation501
0
Save
0

Human L1 element target-primed reverse transcription in vitro

Gregory Cost et al.Oct 28, 2002
Article1 November 2002free access Human L1 element target-primed reverse transcription in vitro Gregory J. Cost Gregory J. Cost Department of Molecular Biology and Genetics, Johns Hopkins University School of Medicine, 725 N.Wolfe Street, 617 Hunterian, Baltimore, MD, 21205 USA Génétique des Interactions Macromoléculaires, CNRS URA2171, Institut Pasteur, 25–28 rue Docteur Roux, 75724 Paris, Cedex 15, France Search for more papers by this author Qinghua Feng Qinghua Feng Department of Molecular Biology and Genetics, Johns Hopkins University School of Medicine, 725 N.Wolfe Street, 617 Hunterian, Baltimore, MD, 21205 USA Search for more papers by this author Alain Jacquier Alain Jacquier Génétique des Interactions Macromoléculaires, CNRS URA2171, Institut Pasteur, 25–28 rue Docteur Roux, 75724 Paris, Cedex 15, France Search for more papers by this author Jef D. Boeke Corresponding Author Jef D. Boeke Department of Molecular Biology and Genetics, Johns Hopkins University School of Medicine, 725 N.Wolfe Street, 617 Hunterian, Baltimore, MD, 21205 USA Search for more papers by this author Gregory J. Cost Gregory J. Cost Department of Molecular Biology and Genetics, Johns Hopkins University School of Medicine, 725 N.Wolfe Street, 617 Hunterian, Baltimore, MD, 21205 USA Génétique des Interactions Macromoléculaires, CNRS URA2171, Institut Pasteur, 25–28 rue Docteur Roux, 75724 Paris, Cedex 15, France Search for more papers by this author Qinghua Feng Qinghua Feng Department of Molecular Biology and Genetics, Johns Hopkins University School of Medicine, 725 N.Wolfe Street, 617 Hunterian, Baltimore, MD, 21205 USA Search for more papers by this author Alain Jacquier Alain Jacquier Génétique des Interactions Macromoléculaires, CNRS URA2171, Institut Pasteur, 25–28 rue Docteur Roux, 75724 Paris, Cedex 15, France Search for more papers by this author Jef D. Boeke Corresponding Author Jef D. Boeke Department of Molecular Biology and Genetics, Johns Hopkins University School of Medicine, 725 N.Wolfe Street, 617 Hunterian, Baltimore, MD, 21205 USA Search for more papers by this author Author Information Gregory J. Cost1,2, Qinghua Feng1, Alain Jacquier2 and Jef D. Boeke 1 1Department of Molecular Biology and Genetics, Johns Hopkins University School of Medicine, 725 N.Wolfe Street, 617 Hunterian, Baltimore, MD, 21205 USA 2Génétique des Interactions Macromoléculaires, CNRS URA2171, Institut Pasteur, 25–28 rue Docteur Roux, 75724 Paris, Cedex 15, France *Corresponding author. E-mail: [email protected] The EMBO Journal (2002)21:5899-5910https://doi.org/10.1093/emboj/cdf592 PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info L1 elements are ubiquitous human transposons that replicate via an RNA intermediate. We have reconstituted the initial stages of L1 element transposition in vitro. The reaction requires only the L1 ORF2 protein, L1 3′ RNA, a target DNA and appropriate buffer components. We detect branched molecules consisting of junctions between transposon 3′ end cDNA and the target DNA, resulting from priming at a nick in the target DNA. 5′ junctions of transposon cDNA and target DNA are also observed. The nicking and reverse transcription steps in the reaction can be uncoupled, as priming at pre-existing nicks and even double-strand breaks can occur. We find evidence for specific positioning of the L1 RNA with the ORF2 protein, probably mediated in part by the polyadenosine portion of L1 RNA. Polyguanosine, similar to a conserved region of the L1 3′ UTR, potently inhibits L1 endonuclease (L1 EN) activity. L1 EN activity is also repressed in the context of the full-length ORF2 protein, but it and a second cryptic nuclease activity are released by ORF2p proteolysis. Additionally, heterologous RNA species such as Alu element RNA and L1 transcripts with 3′ extensions are substrates for the reaction. Introduction The completion of the human genome sequence has revealed the sheer abundance, diversity and importance of our transposons (Lander, 2001). Transposition is an ongoing process, actively changing the genome, occasionally for the worse (Kazazian and Moran, 1998; Ostertag and Kazazian, 2001a; Gilbert et al., 2002; Symer et al., 2002). L1 transposition has recently been suggested as a mechanism for exon shuffling (Moran et al., 1999). More passively, transposon sequences have been co-opted by the cell for a wide variety of functions including use as gene regulatory sequences and centromeric heterochromatin (Howard et al., 1995; Boeke and Stoye, 1997; Laurent et al., 1997). Due to their high copy number, these sequences are often substrates for homologous recombination and rearrangement (Meuth, 1989). Transposons are therefore a source of plasticity for the genome. The element responsible for the vast majority of transposition in humans is the L1 retrotransposon (Figure 1A). The majority of L1s in the genome are 5′ truncated (Boissinot et al., 2001; Szak et al., 2002). As most truncated (and non-truncated) L1s are flanked by variable-length target site duplications, this process is typically thought to be due to a premature termination of reverse transcription rather than recombinational 5′ deletion. Elements that are full length contain both 5′ and 3′ UTRs and two non-overlapping open reading frames (ORFs). ORF1 has been shown to code for an RNA-binding protein specifically associated with L1 RNA (Hohjoh and Singer, 1997) and to form ribonucleoprotein particles with L1 RNA in vivo (Hohjoh and Singer, 1996). Recently, the murine L1 ORF1 protein was shown to have nucleic acid chaperone activity: ORF1 encouraged annealing of complementary sequences and promoted the formation of the most stable nucleic acid hybrid possible (Martin and Bushman, 2001). ORF2 encodes an endonuclease (L1 EN) that is required for retrotransposition (Feng et al., 1996; Moran et al., 1996). The nicking specificity of L1 EN mirrors the sequence at the sites of L1 insertion in vivo, and the biochemical requirements of its nucleic acid recognition have been investigated (Feng et al., 1996; Cost and Boeke, 1998). Briefly, the L1 EN is specific for DNA within a range of structural and sequence parameters, with minor groove width being of particular importance. The DNA sequence that best correlates with these requirements is TnAn, with nicking occurring mainly at the TpA and flanking phosphodiesters. A hotspot for L1 EN nicking occurs between the bla gene and the origin of replication on pBluescript, as this region contains many TnAn sequences (Feng et al., 1996). Nicking at such sequences is generally inhibited by chromatinization; interestingly however, cleavage of some non-consensus sites is enhanced (Cost et al., 2001). The ORF2-encoded L1 reverse transcriptase (RT) contains seven conserved domains and is significantly similar to the telomerase RT (Xiong and Eickbush, 1990; Eickbush, 1997). Following the RT domain is a cysteine-rich domain of unknown function. Interestingly, the proteins encoded by L1 elements work preferentially in cis, that is, preferentially on the RNA from which they were translated (Boeke, 1997; Esnault et al., 2000; Wei et al., 2001). Despite this preference, members of the Alu class of retroelements are believed to misappropriate L1 proteins in order to proliferate (Smit, 1996; Boeke, 1997; Esnault et al., 2000). Figure 1.(A) The human L1 retrotransposon. EN, endonuclease domain; RT, reverse transcriptase domain; ZN cysteine-rich domain; vTSD, variable target site duplication. The 5′ UTR contains an internal promoter (arrow); the 3′ UTR, a polyG and polyA sequence. (B) Protein purification. L1 ORF2p purification was analyzed by electrophoresis and western blotting and silver staining (right panel). T, total lysate; S, supernatant; P, pellet; F, column flow-through; W, wash; 1–9, 0.5 ml GSH elution fractions. (C) Reaction and detection scheme. Incubation of the reaction components results in formation of branched TPRT products. Branched molecules are detected by PCR with primers JB1179 and 1180, followed by Southern blotting with the JB2296 probe. (D) TPRT by L1 ORF2p. Lane 1, full reaction; lanes 2–7, full reaction less the indicated omission; lane 8, to ensure that the products observed in lane 1 were not the result of PCR-mediated target DNA–cDNA recombination, reactions 3 (containing cDNA but no target DNA) and 4 (containing target DNA but no cDNA) were mixed before PCR; lane 9, a full reaction, but with a large excess of AMV RT substituted for L1 ORF2p. The sizing standard used here and throughout is a MspI digest of pBR322, consisting of fragments of the following number of base pairs: 622, 527, 404, 307, 242, 238, 217, 201, 190, 180, 160, 147 and smaller fragments. Download figure Download PowerPoint A model of the first steps of retrotransposition of the R2Bm element has been derived from the biochemical work of Luan and Eickbush (Luan et al., 1993). In the R2Bm model, called target-primed reverse transcription (TPRT), an element-encoded endonuclease nicks the target DNA, generating an exposed 3′ hydroxyl that serves as a primer for reverse transcription of the element's RNA. The mechanism of second-strand synthesis and nick repair is unknown. The R2Bm and L1 elements are both non-LTR polyA transposons, but otherwise share little structural similarity (Malik et al., 1999). In contrast to the semi-specific apurinic/apyrimidinic (AP)-endonuclease-related L1 EN, the R2Bm endonuclease is a type IIs restriction-like enzyme with a CCHC motif, and is specifically targeted to a sequence in the insect rDNA (Yang et al., 1999). The R2Bm enzyme is C-terminal, located after the RT; the L1 EN is at the N-terminus, before the RT. In place of the endonuclease at the N-terminus of R2Bm is a consensus zinc-finger motif proposed to be involved in DNA binding (Yang et al., 1999). Additionally, the R2Bm element completely lacks an ORF1 protein. Given these substantial differences, our results were surprising: we found that the basic mechanism of transposition initiation is conserved, as the L1 ORF2 protein (ORF2p) can carry out a TPRT reaction. The reaction faithfully recapitulates many aspects of in vivo L1 transposition, and displays several mechanistically and evolutionarily interesting behaviors. Results An in vitro TPRT assay To investigate the mechanism of L1 retrotransposition, we have reconstituted several steps of this reaction in vitro. The ORF2 protein of the highly active L1.3 retrotransposon was purified by affinity chromatography (Figure 1B), and assayed according to the scheme depicted in Figure 1C for its ability to initiate the transposition reaction. Definition of the TPRT model coupled with the discovery of an EN domain at the N-terminus of L1 ORF2p (Feng et al., 1996) suggested that an early step in the process of L1 transposition might be the synthesis of L1 cDNA utilizing a nick in the target plasmid to prime reverse transcription. When L1 ORF2 protein was incubated with L1.3 3′ end RNA and a suitable DNA target, L1 ORF2p produced a distribution of branched molecules as detected by PCR amplification (Figure 1D). Success of this reaction depended upon the presence of the L1 RNA and the target DNA (Figure 1D), as well as free deoxynucleotides and Mg2+ (data not shown). The size distribution of the branched molecules formed was dependent upon two variables: the position of the site of nicking on the target DNA and the length of the polyA tail on the transposed RNA (see Materials and methods). The minimum product length expected from the reaction was 174 bp, corresponding to an insertion in the target DNA exactly at the 3′ end of the JB1180 PCR primer. While the large majority of products exceeded this length, a small amount of shorter products were formed due to internal initiation of L1 ORF2p RT or by utilization of truncated RNAs. Most amplified TPRT products were 275–400 bp long, corresponding to cDNA insertion into the hotspot region of the plasmid. Although L1 ORF2p can produce a minimal amount of cDNA in the absence of a DNA target (data not shown), the material seen in lane 1 was not the result of artifactual cDNA/target DNA recombination during PCR, as it was not produced when cDNA and target DNA were mixed after the TPRT reaction but before PCR (Figure 1D, lane 8). Additionally, AMV RT was unable to substitute for L1 ORF2p in the TPRT reaction, even at high concentrations (Figure 1D, lane 9). TPRT products resemble in vivo L1 insertions Targeting of L1 transposition in vivo is not random. While multiple factors, including the accessibility of chromatin, may influence transposon insertion on a global scale, targeting of insertion at the nucleotide level is dictated by the specificity of the ORF2p EN domain (Feng et al., 1996; Jurka, 1997; Cost and Boeke, 1998; Cost et al., 2001). If the branched molecules detected in Figure 1 were authentic intermediates in L1 transposition, then the distribution of in vitro insertion sites should reflect the specificity of the L1 EN domain. PCR products generated in Figure 1D were cloned and sequenced. The sites of L1 cDNA insertion into the target DNA are mapped in Figure 2A, along with the major and minor sites of L1 EN nicking on this DNA sequence. In vitro TPRT exhibited extremely non-random targeting, with a large majority of the recovered cDNAs correctly targeted (Figure 2A and D). Figure 2.(A) In vitro transposition insertions. L1 EN nicking sites, white arrowheads; observed L1 insertion sites, black arrowheads; JB1180 PCR primer, shaded nucleotides; ambiguity in the exact site of insertion due to microhomology between the polyT of the L1 cDNA and the target DNA, horizontal lines. (B) Untemplated nucleotides are sometimes found at transposon insertion sites. (C) Transposition activity of wild-type and mutant ORF2 proteins. Diamonds, wild-type ORF2p; squares, EN mutant ORF2p; triangles, RT mutant ORF2p. (D) Targeting of transposition. (A) contains 291 nt, 38 of which are defined as L1 target sites (see Materials and methods). Random insertion into this sequence would therefore yield an apparent targeting frequency of 13%. When wild-type L1 ORF2p was used, 25/36 L1 insertions were targeted, whereas only 9/36 insertions with EN mutant protein were. The complete set of sequenced L1 insertions exists as Supplementary information for this paper and is available from J.D.B. at http://www.bs.jhmi.edu/MBG/boekelab/boeke_lab_homepage. Download figure Download PowerPoint In addition to retaining insertion site specificity, our TPRT assay also partially recapitulated another aspect of L1 biology. In vivo and in vitro, most L1 insertions contain L1 cDNA with a variable length polyT tail directly joined to the target DNA. However, short stretches of nucleotides, often simple repeats of high A–T content, were found between genomic L1 polyT tails and the target site duplication at a frequency of 13% (2092/15921) overall and 12% (56/479) for TA subset L1s (Szak et al., 2002). We found similar (presumably untemplated) nucleotides at the junction of the L1 cDNA and the target DNA in 28% (11/38) of in vitro insertions (Figure 2B). The extra nucleotides observed in vivo were mainly of the structure [TAAA(A)n]n; several of the extra-nucleotide sequences seen in our assay are similar to this type, but most are of apparently random sequence. While it is possible that some of these nucleotides came from aberrant extension of the RNA by T7 polymerase, we also saw such nucleotides in cDNAs from non-polyadenylated transcripts (data not shown). Additionally, extra-nucleotide addition by L1 RT has been observed with Ty1/L1 hybrid elements (Dombroski et al., 1994; Teng et al., 1996), with the R2Bm element (Luan and Eickbush, 1995) and with the Mauriceville plasmid RT (Chiang et al., 1994). TPRT can occur at pre-formed nicks and breaks L1 transposition in vivo is dependent upon the activities of both the EN and RT domains (Feng et al., 1996; Moran et al., 1996). When in vitro TPRT was attempted with protein containing an active site mutation in the RT domain sufficient to abolish all detectable RT activity, TPRT activity was undetectable (Figure 2C). Surprisingly, a similarly deleterious mutation of the EN domain resulted in the apparent retention of appreciable TPRT activity. However, rather than the targeted insertion seen with wild-type ORF2 protein, branched molecules recovered from reactions using EN mutant protein were much more randomly scattered across the target DNA (Figure 2D). This observation suggested that such molecules resulted from usage of spurious nicks generated by a low-level nicking activity found to be present in the reaction. Indeed, the use of pre-existing cellular nicks has been postulated to account for the existence of genomic L1 elements found in a sequence context inconsistent with L1 EN activity (Hutchison et al., 1989). We directly tested this hypothesis by assaying TPRT activity on DNA molecules pre-nicked at specific locations. When pGC89 plasmid previously nicked by various restriction enzymes was used as the target DNA (Figure 3A), TPRT activity was observed at the site of the nicks, both in the hotspot region (data not shown) and in a normally transposition-incompetent region (Figure 3B). Figure 3.L1 TPRT can utilize pre-existing 3′ hydroxyls for transposition. (A) Pre-nicking reaction scheme. pGC89 DNA was pre-nicked with various restriction enzymes outside of the nicking and transposition hotspot region of the plasmid, then used in the TPRT reaction. (B) TPRT products are produced at the pre-nicked sites. Predicted product sizes are 252, 268 and 285, for DraI (D1 on the figure), HindIII (H3) and HincII (H2), respectively. HindIII ‘star’ nicking activity results in a band at ∼250 nt. As the pGC89 substrate used in this experiment contains four DraI sites, only 1/4th of the nicks in the plasmid are at the assayed DraI site, reducing the intensity of the DraI band four-fold relative to the other enzymes; the other sites are unique. (C) Pre-digestion of target pBluescript KS–DNA into linear fragments. (D) Transposition products are produced via utilization of either a blunt-end DSB (DraI, D1, TTT/AAA), or a four base overhang (5′ overhang, BspHI, B1, T/CATGA, all BspHI sites are also NlaIII sites; 3′ overhang, NlaIII, N3, CATG/). The region of the plasmid assayed in this experiment is within the L1 ENp nicking and L1 ORF2p TPRT hotspot region of the plasmid. Predicted molecular weights of TPRT-derived PCR products: DraI, 303 bp; NlaIII, 361 bp; BspHI, 357 bp. A band from primer–L1 cDNA fusion is seen near the bottom of all lanes in this panel. The products of the normal TPRT reaction appear lighter in this gel only because the efficiency of transposition using DSBs necessitated a shorter exposure. Download figure Download PowerPoint When the standard plasmid target DNA was digested with restriction enzymes (Figure 3C) and then used in the TPRT assay, a substantial amount of the total TPRT activity was directed to the ends of the DNA fragments (Figure 3D). Blunt-ended fragments were much better substrates than either 5′ or 3′ overhang fragments. Utilization of blunt-ended fragments as DNA targets allowed for TPRT in the absence of EN activity. As the ORF2 protein is capable of using 3′ hydroxyls found at nicks and double-strand breaks (DSBs) generated in trans, we conclude that the nicking and reverse transcription phases of the TPRT reaction can be uncoupled. RNA requirements for reverse transcription We observed that L1 ORF2p had precocious template switching tendencies in a conventional primer–template RT assay (Mathias et al., 1991), as there was a substantial size difference between the template RNA and the cDNA produced (Figure 4A). Such activity was also detected with reverse transcription of an A20 ribo-oligonucleotide template, with which the products of reverse transcription reached lengths of several hundred nucleotides (data not shown). Evidence of template switching was also obtained from the sequences of in vitro L1 transposon insertions (Figure 2B, lanes 5 and 6), in which the joining of at least two heterologous cDNAs to the L1 cDNA was observed. Figure 4.(A) In a homopolymer RT assay (polyA RNA, oligo-dT primer), L1 ORF2p produces RT products far in excess of the molecular weight of the template, indicative of template switching activity; AMV RT does not. (B) TPRT of various RNA species. The end-point of the L1 and Alu RNAs are indicated with the dotted line (not to scale). RNA number 4 has 38 nt of vector RNA after the polyA tail. URA3, fragment of S.cerevisiae URA3 RNA with and without a polyA tail. (C) Distribution of cDNA initiation points. Shown below each histogram is a full-length cDNA (from 3′ to 5′), with the positions of the reverse-transcribed polyG and polyA tracts indicated by ‘Cn’ and ‘TTTTTT’, respectively. Position zero marks the end of L1 sequence and the beginning of the polyA tail. The actual positions of the cDNA initiation are plotted in the histogram grouped into 10 nt bins. For the first cDNA (generated from RNA number 1 in B), many cDNAs end beyond the designed position at nucleotide 14 due to the addition of extra A residues to the RNA by T7 polymerase (see Materials and methods). Transposition of RNA number 4 (the second cDNA from the top) yields two distinct populations of cDNA initiation points. Mutation of either the polyG or the polyA sequence (histograms three and four, respectively) removes the bias towards internal initiation of cDNA synthesis, although only the polyA mutation results in a statistically significant difference. Student's two-tailed t-test comparison of wild type versus mutant, bins −20−30 with bins 30–60; polyG p-value = 0.17; polyA p-value = 0.05. For all three cDNAs from 3′ extended transcripts, all initiation points in the 50–60 bin occurred at nucleotide 53, the end of the transcript. The following number of highly truncated (endpoint <−30) cDNAs were excluded from the statistical analysis: wt 3′ extended RNA, 3; polyG mutant, 4; polyA mutant, 3. Download figure Download PowerPoint We carried out a limited deletion analysis of the 366 nt L1 3′ RNA in an effort to define any cis requirements for efficient TPRT (Figure 4B). Simple deletion of the polyA tail of the RNA (lane 2) had a modest effect on the efficiency of TPRT, whereas a more substantial 3′ truncation (lane 1) reduced the amount of TPRT products. Interestingly, a hybrid RNA containing L1 3′ RNA joined to 38 nt of vector sequence could be used as a substrate for TPRT at low levels (lane 4). We detected efficient TPRT of the Alu element RNA (lanes 5 and 6), a transposon long thought to utilize L1-encoded proteins for its mobilization. TPRT products from an irrelevant RNA were also formed at reasonable efficiency, however (lanes 7 and 8), suggesting that the molecular basis for the RNA selectivity of L1 is not likely to reside in the ORF2 protein (Esnault et al., 2000; Wei et al., 2001). Generally, a 3′ terminal polyA tail modestly stimulated TPRT activity of the transcripts. In addition to assaying bulk TPRT activity with the different RNAs, analysis of discrete cDNAs produced by TPRT proved informative as well. Sequencing of the insertion events from the chimeric RNA number 4 (which has a 3′ extension of 38 nt after the polyA tail) revealed a bimodal distribution of L1 cDNA initiation points (Figure 4C). Excluding the three highly truncated insertions, about half (13/24) of the inserted cDNAs ended at or near the 3′ end of the RNA and half (11/24) in the vicinity of the polyT region. While L1 ORF2p RT can reverse transcribe the full length of 3′ extended transcripts, we infer from these results that reverse transcription of extended RNAs is often guided to begin internally within a window set by a cis-acting RNA sequence. One possible candidate for this sequence is the evolutionarily conserved polyguanosine stretch (25/34 nt are Gs) in the L1 3′ UTR (Furano, 2000). We found a polyG RNA sequence to be a potent inhibitor of L1 EN activity (rG20 IC50 ≈ 50 nM), in contrast to a polyA sequence (rA20 IC50 ≈ 50 μM; Figure 5B). Under physiological conditions, the polyG stretch in the L1 3′ UTR can adopt a ‘G-quartet’ secondary structure (Howell and Usdin, 1997). Complete disruption of a similar structure in a polyI homopolymer by conversion from the sodium to the lithium salt (Figure 5C, see Materials and methods) had no effect on the inhibitory activity of this sequence (Figure 5D), suggesting that a quartet structure is not required for L1 EN inhibition. Figure 5.L1 EN is inhibited by RNA. (A) L1 EN nicking activity was assayed by following conversion of the quickly migrating supercoiled KS–plasmid to the slowly migrating open-circular form. (B) L1 EN nicking of a supercoiled plasmid was challenged with 10-fold dilutions (100 μM–100 nM; 100 μM–10 nM for G20) of the indicated RNA oligo. Unlike the related CCR4 nuclease (Chen et al., 2002), L1 EN has neither polyA-specific RNA exonucleolytic activity, nor any detectable nucleolytic activity on RNA (data not shown). (C) Quartet structures (as assayed by differential light absorbance and thermal melting) are disrupted when polyI is converted to a lithium salt. (D) Quartet structures are not required for inhibition of L1 EN nicking. Ten-fold dilutions (100 ng/μl–10 pg/ml); no difference was seen even at two-fold dilutions (data not shown). sc., supercoiled; oc., open circular. Download figure Download PowerPoint Furthermore, we investigated whether the polyG or polyA tract was required to observe the bimodal cDNA endpoint distribution observed in Figure 4C. Despite its ability to markedly inhibit L1 EN activity, mutation of the endogenous polyG sequence within the L1 3′ UTR RNA only partially affected where cDNA was begun on 3′ extended transcripts (Figure 4C). In contrast, substitution of non-polyA sequence for the L1 polyA stretch in a 3′ extended RNA significantly altered the position of cDNA initiation such that the large majority (24/30) began near the 3′ end of the RNA (Figure 4C). We conclude that L1 ORF2p RT can recognize and initiate reverse transcription at internal polyA RNA sequences. Second-strand L1 DNA synthesis Completion of the transposition reaction requires a second round of TPRT. Molecules resulting from complete L1 insertions will therefore have a junction of the 5′ end of second-strand DNA to the target DNA at the site of the second nick (Figure 6A). A PCR assay (analogous to the one used to detect transposon 3′ end insertion in Figure 1C and D) revealed the existence of a population of such molecules in our in vitro reaction (Figure 6B). Like 3′ TPRT, the formation of second-strand L1 DNA was dependent upon the activity of the L1 RT and (to a lesser extent) EN domains (Figure 6B). Cloning and sequencing of these PCR products allowed for the site of 5′ end insertion to be determined for six independent 5′ end insertions (Figure 6C). Of the six, three contained a single extra thymidine, one was missing the 5′-most nucleotide of the L1 cDNA, one missing the first seven cDNA nucleotides, and one 5′ junction was neither missing nor had gained nucleotides. As L1 retrotransposition does not result in fixed spacing between the 5′ and 3′ TPRT reactions, the exact position of the 3′ end TPRT for these insertions is unknown. Figure 6.Creation of second-strand L1 cDNA. (A) The full L1 transposition reaction requires the utilization of two nicks in the target DNA. Arrows indicate the position of the primers (JB1180 and 2NP) used for PCR. (B) Five prime end insertion. Lane 1, wild-type ORF2 protein; lane 2, EN mutant ORF2p; lane 3, RT mutant ORF2p. (C) Black arrowheads indicate the position of target DNA–L1 5′ cDNA junctions. Download figure Download PowerPoint L1 EN activity is repressed in the full-length ORF2 protein In contrast to the robust RT activity present in full-length ORF2p, initial assays for L1 EN nicking revealed little EN activity (Figure 7B, lane 1; data not shown). The observation (in Figure 3) that pre-nicking or pre-breaking of the DNA target could stimulate TPRT with wild-type and EN mutant protein implied that nicking activity was in fact rate-limiting in the reaction. One possibility is that the conformation of the EN domain in the context of the full-length ORF2 protein renders it unable to efficiently nick DNA. We tested this hypothesis by examining the EN activity of proteolytic fragments of L1 ORF2p. Treatment of ORF2p with Factor Xa protease [a procedure originally intended to specifically remove the glutathione S-transferase (GST) affinity tag] resulted in the unexpected scission of the EN domain from the ORF2p, without appreciable release of the GST domain (Figure 7A). When ORF2 protein treated with the highest concentration of Factor Xa used in Figure 7A (Figure 7B, lanes 2, 5 and 8), or an excess of Factor Xa (complete EN proteolytic release, lanes 3, 6, 9 and 12) was assayed for nicking ability, activity was detected in a proteolysis-dependent manner. Similar results were obtained with a wide variety of less specific proteases (data not shown). The nicking activity released by EN cleavage had a DNA sequence specificity identical to that of the purified EN domain, as it cleaved at and near the TpA bond of a TnAn oligonucleotide (Cost and Boeke, 1998). Bona fide L1 EN activity is stimulated by the addition of DMSO to the reaction (Cost and Boeke, 1998; Figure 7C); the nicking activity released by Factor Xa proteolysis reacted similarly (lanes 11 and 12). When EN mutant ORF2 protein was
0
Citation488
0
Save
0

Staphylococcus aureus RNAIII coordinately represses the synthesis of virulence factors and the transcription regulator Rot by an antisense mechanism

Sandrine Boisset et al.Jun 1, 2007
RNAIII is the intracellular effector of the quorum-sensing system in Staphylococcus aureus . It is one of the largest regulatory RNAs (514 nucleotides long) that are known to control the expression of a large number of virulence genes. Here, we show that the 3′ domain of RNAIII coordinately represses at the post-transcriptional level, the expression of mRNAs that encode a class of virulence factors that act early in the infection process. We demonstrate that the 3′ domain acts primarily as an antisense RNA and rapidly anneals to these mRNAs, forming long RNA duplexes. The interaction between RNAIII and the mRNAs results in repression of translation initiation and triggers endoribonuclease III hydrolysis. These processes are followed by rapid depletion of the mRNA pool. In addition, we show that RNAIII and its 3′ domain mediate translational repression of rot mRNA through a limited number of base pairings involving two loop–loop interactions. Since Rot is a transcriptional regulatory protein, we proposed that RNAIII indirectly acts on many downstream genes, resulting in the activation of the synthesis of several exoproteins. These data emphasize the multitude of regulatory steps affected by RNAIII and its 3′ domain in establishing a network of S. aureus virulence factors.
0
Citation442
0
Save
0

Staphylococcus aureus RNAIII and the endoribonuclease III coordinately regulate spa gene expression

Eric Huntzinger et al.Jan 27, 2005
Article27 January 2005free access Staphylococcus aureus RNAIII and the endoribonuclease III coordinately regulate spa gene expression Eric Huntzinger Eric Huntzinger UPR 9002 du CNRS, Institut de Biologie Moléculaire et Cellulaire, Strasbourg Cedex, France Search for more papers by this author Sandrine Boisset Sandrine Boisset Faculté de Médecine Laennec, National Reference Center for Staphylococci, INSERM E0230, Lyon Cedex, France Search for more papers by this author Cosmin Saveanu Cosmin Saveanu URA2171-CNRS-Génétique des Interactions Macromoléculaires, Paris Cedex, France Search for more papers by this author Yvonne Benito Yvonne Benito Faculté de Médecine Laennec, National Reference Center for Staphylococci, INSERM E0230, Lyon Cedex, France Search for more papers by this author Thomas Geissmann Thomas Geissmann UPR 9002 du CNRS, Institut de Biologie Moléculaire et Cellulaire, Strasbourg Cedex, France Search for more papers by this author Abdelkader Namane Abdelkader Namane Plateforme protéomique, Institut Pasteur, Paris Cedex, France Search for more papers by this author Gérard Lina Gérard Lina Faculté de Médecine Laennec, National Reference Center for Staphylococci, INSERM E0230, Lyon Cedex, France Search for more papers by this author Jerome Etienne Jerome Etienne Faculté de Médecine Laennec, National Reference Center for Staphylococci, INSERM E0230, Lyon Cedex, France Search for more papers by this author Bernard Ehresmann Bernard Ehresmann UPR 9002 du CNRS, Institut de Biologie Moléculaire et Cellulaire, Strasbourg Cedex, France Search for more papers by this author Chantal Ehresmann Chantal Ehresmann UPR 9002 du CNRS, Institut de Biologie Moléculaire et Cellulaire, Strasbourg Cedex, France Search for more papers by this author Alain Jacquier Alain Jacquier URA2171-CNRS-Génétique des Interactions Macromoléculaires, Paris Cedex, France Search for more papers by this author François Vandenesch Corresponding Author François Vandenesch Faculté de Médecine Laennec, National Reference Center for Staphylococci, INSERM E0230, Lyon Cedex, France Search for more papers by this author Pascale Romby Corresponding Author Pascale Romby UPR 9002 du CNRS, Institut de Biologie Moléculaire et Cellulaire, Strasbourg Cedex, France Search for more papers by this author Eric Huntzinger Eric Huntzinger UPR 9002 du CNRS, Institut de Biologie Moléculaire et Cellulaire, Strasbourg Cedex, France Search for more papers by this author Sandrine Boisset Sandrine Boisset Faculté de Médecine Laennec, National Reference Center for Staphylococci, INSERM E0230, Lyon Cedex, France Search for more papers by this author Cosmin Saveanu Cosmin Saveanu URA2171-CNRS-Génétique des Interactions Macromoléculaires, Paris Cedex, France Search for more papers by this author Yvonne Benito Yvonne Benito Faculté de Médecine Laennec, National Reference Center for Staphylococci, INSERM E0230, Lyon Cedex, France Search for more papers by this author Thomas Geissmann Thomas Geissmann UPR 9002 du CNRS, Institut de Biologie Moléculaire et Cellulaire, Strasbourg Cedex, France Search for more papers by this author Abdelkader Namane Abdelkader Namane Plateforme protéomique, Institut Pasteur, Paris Cedex, France Search for more papers by this author Gérard Lina Gérard Lina Faculté de Médecine Laennec, National Reference Center for Staphylococci, INSERM E0230, Lyon Cedex, France Search for more papers by this author Jerome Etienne Jerome Etienne Faculté de Médecine Laennec, National Reference Center for Staphylococci, INSERM E0230, Lyon Cedex, France Search for more papers by this author Bernard Ehresmann Bernard Ehresmann UPR 9002 du CNRS, Institut de Biologie Moléculaire et Cellulaire, Strasbourg Cedex, France Search for more papers by this author Chantal Ehresmann Chantal Ehresmann UPR 9002 du CNRS, Institut de Biologie Moléculaire et Cellulaire, Strasbourg Cedex, France Search for more papers by this author Alain Jacquier Alain Jacquier URA2171-CNRS-Génétique des Interactions Macromoléculaires, Paris Cedex, France Search for more papers by this author François Vandenesch Corresponding Author François Vandenesch Faculté de Médecine Laennec, National Reference Center for Staphylococci, INSERM E0230, Lyon Cedex, France Search for more papers by this author Pascale Romby Corresponding Author Pascale Romby UPR 9002 du CNRS, Institut de Biologie Moléculaire et Cellulaire, Strasbourg Cedex, France Search for more papers by this author Author Information Eric Huntzinger1,‡, Sandrine Boisset2,‡, Cosmin Saveanu3, Yvonne Benito2, Thomas Geissmann1, Abdelkader Namane4, Gérard Lina2, Jerome Etienne2, Bernard Ehresmann1, Chantal Ehresmann1, Alain Jacquier3, François Vandenesch 2 and Pascale Romby 1 1UPR 9002 du CNRS, Institut de Biologie Moléculaire et Cellulaire, Strasbourg Cedex, France 2Faculté de Médecine Laennec, National Reference Center for Staphylococci, INSERM E0230, Lyon Cedex, France 3URA2171-CNRS-Génétique des Interactions Macromoléculaires, Paris Cedex, France 4Plateforme protéomique, Institut Pasteur, Paris Cedex, France ‡These authors contributed equally to this work *Corresponding authors: UPR 9002 du CNRS, Institut de Biologie Moléculaire et Cellulaire, 15 rue René Descartes, 67084 Strasbourg Cedex, France. Tel.: +33 388 41 70 51; Fax: +33 388 60 22 18; E-mail: [email protected]é de Médecine Laennec, National Reference Center for Staphylococci, INSERM E0230, IFR62, 7 rue Guillaume Paradin, 69372 Lyon Cedex 08, France. Tel.: +33 478 77 86 57; Fax: +33 478 77 86 58; E-mail: [email protected] The EMBO Journal (2005)24:824-835https://doi.org/10.1038/sj.emboj.7600572 PDFDownload PDF of article text and main figures. ToolsAdd to favoritesDownload CitationsTrack CitationsPermissions ShareFacebookTwitterLinked InMendeleyWechatReddit Figures & Info Staphylococcus aureus RNAIII is one of the largest regulatory RNAs, which controls several virulence genes encoding exoproteins and cell-wall-associated proteins. One of the RNAIII effects is the repression of spa gene (coding for the surface protein A) expression. Here, we show that spa repression occurs not only at the transcriptional level but also by RNAIII-mediated inhibition of translation and degradation of the stable spa mRNA by the double-strand-specific endoribonuclease III (RNase III). The 3′ end domain of RNAIII, partially complementary to the 5′ part of spa mRNA, efficiently anneals to spa mRNA through an initial loop–loop interaction. Although this annealing is sufficient to inhibit in vitro the formation of the translation initiation complex, the coordinated action of RNase III is essential in vivo to degrade the mRNA and irreversibly arrest translation. Our results further suggest that RNase III is recruited for targeting the paired RNAs. These findings add further complexity to the expression of the S. aureus virulon. Introduction Virulence gene expression in most bacteria is tightly regulated, and many bacterial pathogens turn on virulence genes under appropriate conditions allowing the bacteria to survive within the host and to evade the host defense system. Recent studies performed on pathogenic bacteria point to the importance of RNAs in virulence control. Regulatory RNAs might exert their activity in trans through antisense properties or by sequestering proteins (for a review, see Johansson and Cossart, 2003; Storz et al, 2004). One of the most attractive examples is the Staphylococcus aureus 514-nucleotide regulatory RNAIII, which regulates the expression of several virulence factors. S. aureus virulence factors are precisely controlled in response to cell density (quorum sensing), energy availability, and various environmental signals (reviewed in Novick, 2003). Signal receptors are the primary regulatory mediators for the expression of the virulon in S. aureus. Among these receptors, the agr system, composed of two divergent transcription units, functions as a sensor of the population density. Its operon combines a density-sensing cassette (agrD and B) and a two-component sensory transduction system (agrA and C). The P2 operon expression is required for transcriptional activation of the P3 operon coding for RNAIII, the intracellular effector of the agr regulon (Novick, 2003). The expression of RNAIII is maximal in the late logarithmic and stationary phase cultures. RNAIII has the unique property of acting as a messenger RNA encoding hld (delta-hemolysin), and having multiple regulatory functions: repression of the expression of surface proteins such as protein A during the exponential phase, and activation of the expression of extracellular toxins and enzymes during the postexponential phase (Janzon and Arvidson, 1990; Kornblum et al, 1990; Novick et al, 1993). The secondary structure of RNAIII is characterized by 14 stem–loop structures and by two long helices, which close off structural domains (Benito et al, 2000). Only two specific domains of RNAIII have been shown to control the expression of different targets. The 5′ end of RNAIII positively regulates the translation of hla (encoding alpha hemolysin) by competing directly with an intramolecular RNA secondary structure that sequesters the hla ribosomal binding site (Novick et al, 1993; Morfeldt et al, 1995). The 3′ domain of RNAIII is necessary and sufficient for repression of protein A synthesis (Novick et al, 1993; Benito et al, 1998, 2000). In this latter case, RNAIII is believed to function either directly or indirectly at the transcriptional level (Patel et al, 1992; Novick et al, 1993; Cheung et al, 1997). However, one cannot exclude an alternative mechanism in which RNAIII would alter the stability of spa mRNA (Novick et al, 1993; Benito et al, 2000). Indeed, sequence complementarity between RNAIII and spa mRNA has been suggested previously (Novick, 2003). The present study analyses the regulatory mechanism by which RNAIII inhibits the expression of the surface protein A, one of the major virulence factors. Our results indicate that spa mRNA is repressed at the translational level by RNAIII and, in turn, is rapidly degraded by the double-strand-specific endoribonuclease III (RNase III). The mechanism of RNAIII action relies on an antisense activity, which is located in the 3′ domain and, is mediated by base pairings with spa mRNA. Results spa regulation occurs both at the transcriptional and post-transcriptional levels in vivo Sequence complementarity between RNAIII (nucleotides 384–445) and spa mRNA (nucleotides 2–58) suggested that the 3′ domain of RNAIII can repress spa expression at the translational level, through annealing to spa mRNA (Novick, 2003). In order to test the in vivo relevance of such a mechanism, we fused the spa and lacZ genes in expression vectors. The spa promoter region (−454 to +1) alone or containing part of the coding sequence (−454 to +12) were cloned into the pTCV-lac shuttle vector (Poyart and Trieu-Cuot, 1997). We also used an agr-independent promoter (PrpoB) fused to the coding sequence of spa mRNA (+1 to +63), which contains the sequence complementarity to RNAIII. These constructs were designed in order to distinguish between transcriptional and post-transcriptional control. β-galactosidase activity was assayed in the S. aureus strains RN6390 (agr+) and WA400 (ΔrnaIII). Experiments were also carried out on the strain WA400, complemented with different sets of plasmids expressing either the wild-type RNAIII (LUG581) or RNAIII-Δ1 (LUG451) deleted of residues 430–437, which are complementary to the Shine and Dalgarno sequence of spa mRNA (see Figures 1 and 2A). Figure 1.β-galactosidase activity detected from different gene fusions. (A) Pspa∷lacZ and Pspa (+1/+12)∷lacZ fusions in S. aureus RN6390 (agr+, WT), WA400 (ΔrnaIII) and RN6390-Δrnc (LUG774, Δrnc), and PrpoB∷lacZ fusion in S. aureus RN6390 and WA400. (B) PrpoB∷spa (+1/+63)-lacZ fusion in different S. aureus strains: RN6390, WA400, WA400+RNAIII (LUG581, ΔrnaIII/pLUG298), WA400+RNAIII-Δ1 (LUG451, ΔrnaIII/pLUG302) and LUG774. The β-galactosidase activity is expressed in arbitrary unit per milligram of protein. The results represented a mean of three independent experiments. Download figure Download PowerPoint Figure 2.RNAIII binds efficiently to spa mRNA in vitro. (A) The secondary structure model of RNAIII from Benito et al (2000), and the 3′ domain are given. The two mutants, which carry deletion in loop 13 (RNAIII-Δ1), and the whole deletion of hairpin 13 (RNAIII-Δ2) are squared. Nucleotides complementary to spa mRNA are printed in italic. (B) Determination of the apparent dissociation constant for RNAIII/spa mRNA complex. The 5′-end-labeled spa mRNA was incubated alone (−) or with various concentrations of unlabeled wild-type RNAIII (0.1, 0.5, 1, 5, 10, 50 and 100 nM) and mutant RNAIII (50 and 100 nM). The fraction of labeled spa mRNA associated with RNAIII was calculated from the counts in the corresponding band relative to the total counts in the lane. The apparent Kd value was determined as the concentration of RNAIII allowing 50% of spa mRNA binding. (C) Binding rate constant for the RNAIII/spa mRNA complex as determined from three independent experiments. The 5′-end-labeled RNAIII (0.1 nM) was incubated with unlabeled spa mRNA (1 nM) at 37°C. Aliquots were withdrawn at 0, 1, 2, 4, 8, 16, 32 and 60 min. The percentage of free RNAIII was plotted as a function of time. Download figure Download PowerPoint We observed that the minimal spa promoter element, which responds to the agr regulation, required the first 12 nucleotides of the spa gene in agreement with recent data showing that agr response involved nucleotides −137 to +7 (Gao and Stewart, 2004; Figure 1A). As expected, under the control of the spa promoter, the expression of the fusion protein strongly decreased in the wild-type strain as compared to the mutant strain WA400 (Figure 1A). These data suggest that RNAIII is required for the transcriptional control of spa expression. When the rpoB promoter was fused with the lacZ gene, the β-galactosidase synthesis was identical in RN6390 (agr+) and WA400 (ΔrnaIII) showing that the rpoB promoter activity is agr independent (Figure 1A). The addition of the first 63 nucleotides of spa mRNA fused in frame with lacZ deleted of its ribosomal binding site (ΔRBS) reduced the β-galactosidase activity by two-fold in the wild-type strain as compared to WA400 (Figure 1B). The β-galactosidase levels decreased more drastically in WA400 carrying the multicopy plasmid pE194 producing high level of the wild-type RNAIII (LUG581) (Figure 1B). Conversely, the expression of RNAIII-Δ1 in WA400 (LUG451) had no effect on β-galactosidase reduction (Figure 1B). Taken together, these results indicate that spa expression is controlled at both transcriptional and post-transcriptional levels. RNAIII interacts with spa mRNA in vitro The in vivo data prompted us to examine whether RNAIII might efficiently bind to spa mRNA. Duplex formation between RNAIII and spa mRNA was investigated by gel shift analysis. In vitro-synthesized labeled spa mRNA (<1 nM) was incubated with increasing concentrations of unlabeled RNAIII in the presence of 5 mM MgCl2 at 37°C for 15 min. The reactions were analyzed by gel electrophoresis using nondenaturing polyacrylamide gels (Figure 2B). RNAIII was found to bind spa mRNA with an apparent dissociation constant of 31 (±5.5) × 10−9 M. The deletion of nucleotides C430 to A437 (RNAIII-Δ1) or of the whole hairpin 13 (RNAIII-Δ2) in RNAIII (Figure 2A) had a deleterious effect on complex formation (Figure 2B). Thus, RNAIII formed a moderately stable complex with spa mRNA and mutations, altering the complementarity with spa mRNA, impaired complex formation. The rate of complex formation between RNAIII and spa mRNA was further analyzed by gel shift assays (Figure 2C). The initial rate of binding (kapp) was estimated by a time-course analysis using labeled RNAIII and an excess of the unlabeled spa mRNA and was determined to be 3 (±0.5) × 105 M−1 s−1. The rate of binding was proportional to the concentration of the RNAs, as expected for a second-order reaction (result not shown). This constant is probably underestimated since complex formation is reversible and some dissociation could occur within the gel. The value is, however, close to that obtained for OxyS-fhlA mRNA (Argaman and Altuvia, 2000) and in the range of the association rate constants of 105–106 M−1 s−1, determined in a variety of natural fully complementary antisense–target RNA systems using analogous methodology (for a review, see Wagner et al, 2002). This rapid binding between antisense and target RNA is thus compatible with RNAIII exerting its inhibitory effect on spa expression by binding to spa mRNA in vivo. RNAIII sequesters the ribosome binding site of spa mRNA The conformation of the first 200 nucleotides of spa mRNA either free or bound to RNAIII was probed using different enzymes and chemicals under conditions where less than one cleavage/modification per molecule takes place. Enzymes used were RNase T1 (specific for single-stranded guanines), RNase T2 (specific for unpaired nucleotides with a preference for adenines) and RNase V1 (specific for double-stranded regions). Spa mRNA was also subjected to chemical modifications by using DMS (A(N1), C(N3)) and CMCT (U(N3), G(N1)). Experiments are shown in Figure 3 and the reactivity levels are indicated on the secondary structure of the RNAs in Figure 4. Figure 3.RNAIII binds to the SD region of spa mRNA. (A, B) Enzymatic hydrolysis of 5′-end-labeled spa mRNA, free (−RNAIII) or in the presence of an excess of RNAIII (+RNAIII). (C) Chemical probing of unlabeled spa mRNA, free (−) or in complex with RNAIII (+). Lanes U, G, C and A: dideoxy-sequencing reactions performed on spa mRNA. (D) Enzymatic hydrolysis of 3′-end-labeled RNAIII free (−spa mRNA) or in the presence of an excess of spa mRNA (+spa mRNA). T2, T1 and V1: RNase T2, RNase T1 and RNase V1, respectively. Lanes T and L: RNase T1 under denaturing conditions and alkaline ladders, respectively. Lanes C: incubation controls in the absence of the probe. Arrows denote the main reactivity changes induced by complex formation. Download figure Download PowerPoint Figure 4.Secondary structure models of free and complexed RNA. A summary of the probing results is represented on the secondary structure of spa mRNA (A) and RNAIII (B). Enzymatic cleavages are given as follows: RNase T1 (), RNase T2 () and RNase V1 () moderate and () strong cleavage. Chemical modifications of cytosines at N3, and adenines at N1 towards DMS, and of uridines at N3 and guanines at N1 towards CMCT: full and dashed circled nucleotides are for strong and moderate reactivity, respectively. Small dots are for not determined due to unspecific cleavages or pauses of RT in the incubation control. Reactivity changes induced by complex formation are indicated as follows: black or empty circles denote strong and moderate protection, respectively; enhancements are represented by asterisks; new RNase V1 cleavages are shown by red arrows. Blue arrows show RNase III cleavages in the free RNA. Potential noncanonical base pairs are denoted by NoN. (C) Secondary structure model of the RNAIII/spa mRNA complex summarizing the enzymatic cleavages and chemical reactivities. Download figure Download PowerPoint For RNAIII, the data were in good agreement with the secondary structure previously derived from chemical and enzymatic probing (Bénito et al, 2000; Figure 2A). The 3′ domain (containing hairpins 13 and 14) was shown to form an intrinsic structural domain, highly conserved among Staphylococcus species (Bénito et al, 2000). The existence of hairpin 13 (the main spa mRNA binding site) was supported by previous data: nucleotides within loop 13 were reactive at their Watson–Crick position despite their weak accessibility towards RNase T2, while the helix was cleaved by RNase V1 (Bénito et al, 2000; Figure 4B). For spa mRNA, the probing data were well correlated with the existence of hairpins I and II (Figure 4A). An alternative structure in spa mRNA involving nucleotides A29 to A47 is suggested due to the presence of several RNase V1 and RNase T2 cleavages (inset in Figure 4A). Binding of RNAIII induced reactivity changes in a restricted region of spa mRNA, which covers the ribosome binding site. Protections against RNase T1 and T2 hydrolysis were mainly observed in loop I (Figure 4A). In addition, reactivity of adenines 29–33, and 35 towards DMS, and of uridines 42, 43, 46–47, 51–52 towards CMCT was significantly decreased upon RNAIII binding. Several RNase V1 cuts were also reduced at positions 18–20 and 26–27, whereas a new cleavage appeared at position 29. The reactivity pattern was unchanged in the other regions of spa mRNA. Binding of spa mRNA induced correlated reactivity changes in hairpin 13 of RNAIII, encompassing nucleotides 390–440 (Figure 4B). RNase T2 cleavages located at positions U392–U394 and U421–U424 were reduced, whereas increased cleavages were observed at A425–A428. New or increased RNase V1 cleavages also occurred at positions U420–U424, and C430–A434. The complex was also formed by annealing the two RNA molecules at high temperature followed by slow cooling to 37°C. The reactivity pattern was strictly identical to that of the complex formed at 37°C (results not shown). These data show that RNAIII anneals to spa mRNA, and induces changes restricted to the complementary region that overlaps the ribosome binding site. Binding of RNAIII to spa mRNA prevents the formation of the translational initiation complex Since RNAIII binds to the Shine and Dalgarno sequence of spa mRNA, we tested the possibility that RNAIII binding is sufficient to prevent the formation of the ternary initiation complex formed by the Escherichia coli 30S subunit, the initiator tRNAMet and spa mRNA. The formation of the ternary complex blocked the elongation of a cDNA primer by reverse transcriptase, and produced a toeprint 16 nucleotides downstream of the initiation codon (Hartz et al, 1988; Figure 5A). Since RNAIII contained an effective ribosomal binding site that could interfere with ribosome binding at spa mRNA, we also used the two RNAIII mutants (RNAIII-Δ1, RNAIII-Δ2), which have lost the capacity to bind spa mRNA but are still recognized by the ribosome. The data revealed that the addition of increasing concentrations of RNAIII significantly decreased the yield of the toeprint (Figure 5A, lanes 6–8), 50% of inhibition being observed at the highest RNAIII concentration (Figure 5B). As the ternary 30S-mRNA–tRNA complex forms irreversibly, the inhibition was only observed when the initiator tRNA was added after RNAIII. The addition of RNAIII-Δ1 or RNAIII-Δ2 slightly altered ribosome binding since less than 20% of inhibition was observed at the highest concentration of the RNAIII mutants (Figure 5B). Thus, the specific RNAIII inhibition of ribosome binding to spa mRNA did not mainly result from a sequestration of the 30S subunit by RNAIII but rather from a direct interaction between spa mRNA and RNAIII. The binding of RNAIII to spa mRNA was sufficiently rapid to inhibit the formation of the translational initiation complex, at a step preceding the formation of the ternary complex. Figure 5.RNAIII prevents the formation of the ternary complex 30S-spa mRNA–tRNA. (A) Formation of the ternary complex between spa mRNA (15 nM), 30S ribosomal subunits (500 nM) and initiator tRNA (1 μM) was monitored in the absence (lane 5) or in the presence of wild-type RNAIII (lanes 6–8), RNAIII-Δ1 (lanes 9–11) and RNAIII-Δ2 (lanes 12–14). Concentrations of RNAIII species were 15, 75 and 150 nM. The toeprint at position +16 is indicated. Lanes U, G, C and A: dideoxy-sequencing reactions performed on spa mRNA. (B) Quantification of the data determined for three independent experiments. Relative toeprinting (toeprint band over full-length RNA+toeprint) was calculated by scanning of the gel with the Bio-imager Analyzer BAS 2000 (Fuji). The inhibition, given in %, represents the ratio between the relative toeprint in the presence of either the wild-type RNAIII or the mutant RNAs divided by the relative toeprint in the absence of RNAIII. Download figure Download PowerPoint S. aureus RNase III is essential for efficient regulation of protein A expression in vivo Many antisense-target systems are processed by the double-strand-specific RNase III (for a review, see Wagner et al, 2002). To test whether RNase III is involved in the regulation of spa expression, we constructed a strain derived from RN6390 in which the RNase III gene (rnc) was inactivated (LUG774). Codons 56–200 of the rnc gene, encompassing the RNA binding domain and the catalytic site, were deleted and replaced by the cat gene. Allelic replacement of the rnc gene in the strain RN6390 (forming LUG774) was analyzed by PCR using different sets of oligodeoxyribonucleotides, allowing detection of the expected sizes of the generated PCR fragments (data not shown). In contrast to Bacillus subtilis (Herskovitz and Bechhofer, 2000), the rnc gene is nonessential in S. aureus. The translational fusion of the spa gene (1 to +63) with the lacZ gene expressed from the agr-independent PrpoB promoter was then transformed into LUG774 in order to analyze the post-transcriptional regulation of spa in the absence of RNase III. The β-galactosidase levels were identical to those measured in the mutant strain WA400 (ΔrnaIII) (Figure 1B), showing that the absence of either RNAIII or RNase III abolished spa repression. In contrast, low β-galactosidase levels were detectable in LUG774 carrying the transcriptional Pspa∷lacZ fusion (Figure 1A). These data suggest that the regulation of spa expression at the post-transcriptional level depends on both the presence of RNAIII and the double-strand-specific RNase. S. aureus RNase III and RNAIII promote rapid degradation of repressed spa mRNA We then tested the steady-state level of spa mRNA in the different S. aureus strains. Disappearance of spa mRNA was observed in RN6390 (agr+, Figure 6A, lane 1) as well as in WA400/pE194 expressing the wild-type RNAIII (LUG581, Figure 6A, lane 4). The level of spa-lacZ fusion mRNA (expressed under agr-independent rpoB promoter) was also strongly decreased in WA400/pE194 expressing the wild-type RNAIII (results not shown). Conversely, the level of spa mRNA was significantly increased in WA400 (ΔrnaIII) (Figure 6A, lane 2), and also in WA400/pE194 expressing RNAIII-Δ1, which has lost the capacity to bind spa mRNA (Figure 6A, lane 5). We also detected spa mRNA in the Δrnc strain (LUG774) (Figure 6A, lane 6). Figure 6.Analysis of spa mRNA and RNAIII levels in different strains. (A) Northern blot analysis on spa mRNA. RNAs from postexponential phase cultures were hybridized with probes corresponding to RNAIII and spa mRNA. Lane 1, RN6390 (WT, agr+); lane 2, WA400 (ΔrnaIII); lane 3, WA400+3′ domain (LUG484: ΔrnaIII/pLUG324); lane 4, WA400+RNAIII (LUG581: ΔrnaIII/pLUG298); lane 5, WA400+RNAIII-Δ1 (LUG451: ΔrnaIII/pLUG302); lane 6, RN6390-Δrnc (LUG774: Δrnc). (B) Measurements of the half-life of spa mRNA in the presence of rifampicin (300 μg/ml) in the strains WA400, RN6390-Δrnc and RN6390. For comparison, the half-life of spa-lacZ mRNA (agr-independent PrpoB promoter) in WA400 is given. (C) Measurements of the half-life of RNAIII in the presence of rifampicin in the strains RN6390 (WT) and RN6390-Δrnc. The half-life of 5S rRNA was measured on all the membranes in parallel, as an internal control. The quantity of spa mRNA or of RNAIII was normalized using the quantity of 5S rRNA at each time. The half-life was given as the time where 50% of the RNA was degraded. The experiments were reproduced four times. Download figure Download PowerPoint The half-life of spa mRNA was then analyzed in different strains (Figure 6B). In rifampicin-treated cells expressing RNAIII (RN6390, LUG581), spa mRNA was not detectable. Conversely, in rifampicin-treated cells, which do not express RNAIII (WA400), spa mRNA accumulated and was found to be unusually stable with a half-life of 15 (±2) min (Figure 6B). A long half-life was also measured for spa-lacZ mRNA (expressed under the agr-independent rpoB promoter), indicating that the 5′ leader conferred a high stability to spa mRNA (Figure 6B). Interestingly, degradation of spa mRNA was even reduced in Δrnc strain (LUG774) since the half-life of spa mRNA increased to 32 (±2) min (Figure 6B). We also measured the half-life of RNAIII in the presence of rifampicin in RN6390 and LUG774. In both cases, RNAIII appeared to be highly stable (>45 min), as described previously (Janzon and Arvidson, 1990; Figure 6C), and no stable RNase III-specific processing intermediates were detectable in the wild-type strain (results not shown). Since the spa mRNA half-life is long, we suggest that decay of spa mRNA significantly contributes to the overall repression mechanism, and that rapid degradation of spa mRNA is dependent on both RNAIII pairing and RNase III. RNase III recognizes RNAIII, spa mRNA and the RNAIII–spa mRNA complex Since RNase III is required for the post-transcriptional regulation of spa expression in vivo, we tested the capacity of the enzyme to cleave the duplex in vitro. The His-tagged RNase III from S. aureus was overexpressed in E. coli and purified. Mass spectrometry analysis and N-terminal sequencing did not reveal any contamination by E. coli RNase III. The extent of duplex formation was analyzed by comparing the RNase III-dependent cleavages under conditions of heat annealing and native RNAIII–spa mRNA complex formation. RNase III hydrolysis was co
0
Citation339
0
Save
Load More