Investigating protein complexes potentially governing microtubule-dependent MBP mRNA distribution

Abstract

La localització de molècules d'ARNm permet regular la síntesi de proteïnes localment i temporalment i això és vital per molts processos cel·lular fonamentals. A Oligodendròcits el transport de l'ARNm de la proteïna bàsica de la mielina (MBP) permet la síntesi local d'aquesta. MBP té una funció essencial en la formació de la beina de mielina que envolta els exons, nodreix les cel·les nervioses i permet la rapida transmissió dels estímuls. Tot i la intensa recerca feta sobre els mecanismes moleculars que condueixen el transport i l'expressió local MBP-ARNm, encara no està clar com l'ARNm és transportat fins al seu destí i com es controla la traducció de la proteïna al lloc adequat. Fent servir informació de dades publicades i el cribratge d'interaccions entre proteïnes realitzat al laboratori hem seleccionat dos complexos proteics essencials per a la localització de l'ARNm de la MBP i hem intentat construir-los des de la base. Des d'aquest enfocament la reconstrucció in vitro dels complexos ens permet analitzar la funcio de cada component del complex i entendre més profundament com es controla aquest procés biològic. La síntesi de l'ARNm de la MBP és parcialment depenent de la interacció entre la proteïna d'unió a ARN, hnRNPA2, i una polimerasa de microtúbuls, chTOG. Per aclarir el mecanisme pel qual aquesta interacció desencadena la traducció de la MBP vam decidir analitzar les conseqüències funcionals d'aquesta nova interacció entre una proteïna d'unió a microtúbul i una proteïna d'unió a ARN. He aconseguit amb èxit proteïna recombinant funcional de hnRNPA2 I chTOG. La interacció entre aquestes dues proteïnes va resultar no especifica. Hipotetitzo que és degut a la conformació que adquireix la proteïna hnRNPA2 en els grànuls de ribonucleoproteines o depenent d'altres components. Degut a la falta de recursos per investigar-ho vam suspendre aquest projecte. El procés de lliurament de l'ARNm de MBP a oligodendròcits és mantingut per kinesines

dependents de microtúbuls. La kinesina Kif1Bβ s'ha vist que fa el transport però els adaptadors que uneixen l'ARNm al motor(kinesina) resten desconeguts. Kif1Bβ se sap que és responsable del transport d'orgànuls de membrana com precursors de vesícules sinàptiques. Evidencies de la bibliografia i del cribratge d'interaccions entre proteïnes realitzat al laboratori suggereixen que Kif1Bβ podria realitzar el transport de l'ARN per captura de les vesícules. La regulació de les kinesines no és del tot conegut per això vaig decidir investigar primer aquest aspecte. Per aquesta raó vaig provar de construir i caracteritzar el sistema de transport de vesícules depenent de Kif1Bβ in vitro. Vaig aconseguir produir i caracteritzar la proteïna recombinant Kif1Bβ. Kif1Bβ es capaç de formar un dímer en solució de forma independent i en aquest estat de dímer moure's al llarg de microtúbuls. Vaig detectar la preferència de Kif1Bβ per certs lípids que després vaig fer servir per produir vesícules sintètiques. Les vesícules es van fer servir per caracteritzar in vitro el seu transport per Kif1Bβ. La reconstrucció de les interaccions entre proteïnes implicades en el transport de complexos van demostrar ser més problemàtiques. Esforços addicionals serien necessaris en el futur per aconseguir aquest repte i millor caracterització del proposat complex. Tot i els meus esforços no vaig poder reconstruir completament cap dels dos complexos d'interès. Tot i així, presento en aquesta tesi una descripció detallada dels enfocaments i els complexes parcials que nosaltres vam aconseguir construir i caracteritzar.

Localization of mRNA molecules enables locally and temporally regulated protein synthesis, which is vital for many fundamental cellular processes. In oligodendrocytes transport of myelin basic protein (MBP) mRNA to myelinating processes allows for local synthesis of MBP. MBP has an essential function if forming the myelin sheath that surrounds axons, nurtures the nerve cells and allows for fast stimuli transmission. Despite extensive research about the molecular mechanisms that guide the transport and local expression of MBP-mRNA it is still not clear how this mRNA is transported to its destination and how activation of translation at the right place is controlled. Using the information from published data and an interaction screen performed in the lab we selected two protein complexes essential for MBP mRNA localisation and attempted to build them from bottom-up. In this approach in vitro reconstitution of the minimal complexes allows us to analyse the function of each component of the complex and understanding better how biological processes are regulated. MBP mRNA synthesis is partially dependent on the interaction between an RNA binding protein, hnRNPA2, and a microtubule polymerase, chTOG. To elucidate the mechanism by which this interaction triggers MBP mRNA translation we decided to analyse the functional consequences of this entirely novel interaction between a microtubule binding and RNA binding protein. I successfully produced functional recombinant hnRNPA2 and chTOG. The interaction detected between those two proteins turned out to be unspecific. I hypothesize it is due to the conformation that hnRNPA2 acquires in the RNP granule or depends on other components. Due to the lack of resources to investigate this further we suspended this project. Delivery of MBP mRNA to the oligodendrocytes processes is maintained by microtubule-dependent kinesin motors. The kinesin Kif1Bβ has been shown to carry out the transport but the adaptors, which link the mRNA to the motor, remain unknown. Kif1Bβ is known to be responsible for transport of membranous organelles such as synaptic vesicle (SV) precursors. Evidence from literature and protein interaction screen performed in the lab suggests that Kif1Bβ could achieve mRNA transport by vesicle hitchhiking. The regulation of the kinesin is not fully understood therefore I decided to investigate this aspect first. For this reason I sought to build and characterize a Kif1Bβ-dependent vesicle transport system in vitro. I produced recombinant protein and achieved characterization of the Kif1Bβ motor. Kif1Bβ is able to independently form a dimer in solution and in the dimeric state processively moves on microtubules. I detected the preference of Kif1Bβ for certain lipids, which were then used to produce synthetic vesicles. In in vitro motility assays I characterized the Kif1Bβ-driven transport of synthetic vesicles. The reconstitution of the interactions between proteins involved in vesicle transporting complex proved to be more problematic. Additional efforts are needed to achieve this goal and further characterize the proposed complex in the future. Despite my efforts I did not manage to fully reconstitute any of the two complexes of interest. However, I report in this thesis a detailed description of the approaches and the partial complexes I managed to build and characterise.