Combinatorial perspective on the gene expression circuits established by the CPEB-family of RNA binding proteins

Abstract

The complex changes that take place in the mature Xenopus oocyte and early embryo are orchestrated in the absence of transcription. Until zygotic transcription starts, after the mid-blastula transition, cells rely on tight spatiotemporal translational regulation. Some maternal mRNAs accumulate during oocyte growth and are stored, translationally silent. Upon stimuli, stored, silenced mRNAs become cytoplasmically polyadenylated and, subsequently, engage in translation. The timing and extent of translational activation are dictated by a complex code of 3’UTR motifs recognized by RNA-binding proteins.

In meiotic maturation, at least three sequential polyadenylation waves occur. First, in response to progesterone, a single Aurora kinase A phosphorylation triggers CPEB1-directed cytoplasmic polyadenylation of mRNAs that are required for Cdk1 activation and meiotic progression. Second, activated Cdk1 targets CPEB1 for degradation, triggering a second polyadenylation surge that is necessary for the MI-MII transition. Last, CPEB4, synthesized from the first wave and activated by Cdk1 and ERK2 upon meiotic progression, drives a third wave during the second meiotic division that is required for the metaphase-II arrest.

Unlike the well-studied roles of CPEB1 and CPEB4, the roles of the remaining family members, CPEB2 and CPEB3, remain uncharacterized. In this thesis we have performed a systematic investigation of the CPEB-family of RBPs in meiotic maturation in order to elucidate their combinatorial contribution to gene expression regulation. We have determined that CPEB1 and the CPEB2-4 subfamily differ in their expression dynamics, concentration and regulation. Like CPEB4, CPEB2 and CPEB3 are regulated by N-terminal hyperphosphorylation that causes dissolution of the CPEB-condensates. Furthermore, we have found that all CPEBs co-localize and are proximal to mRNA repression and storage proteins, probably reflecting their inclusion within large repressive mRNPs in the oocyte. We have also found that all CPEBs bind a highly overlapping subset of mRNAs, although CPEB1 and CPEB2-4 could differentially regulate a small subset of targets.

All in all, we have contributed to the understanding of how the multiple CPEBs co-exist and how their activities are coordinated in the cell to dictate complex expression patterns.

La maduración meiótica y la embriogénesis temprana de Xenopus se dan en ausencia de transcripción. Hasta la transición materno-cigótica – después de la 12ª división embrionaria - la transcripción no se re-inicia y todos los cambios en expresión génica ocurren por mecanismos post- transcripcionales, entre los cuales destaca la poliadenilación citoplasmática. Durante su crecimiento, el oocito produce grandes cantidades de mRNA que mantiene silenciados, con una cola de poly(A) corta. En la maduración y embriogénesis, ciertos mRNAs son poliadenilados y traducidos. Cuando y cuanto cada mRNA es movilizado depende de la combinación de señales presentes en su 3’UTR y de las proteínas de unión al RNA que las reconocen.

En la maduración meiótica se dan, al menos, tres olas secuenciales de poliadenilación. La primera es iniciada en respuesta a progesterona. Concretamente, la fosforilación por Aurora quinasa A causa la remodelación del complejo de represión de CPEB1 a complejo de activación, permitiendo la expresión de genes necesarios para la progresión meiótica, como Cdk1. Seguidamente, Cdk1 participa en la degradación de CPEB1 generando una segunda ola que es necesaria para la interkinesis. Por último, CPEB4, producida en la primera ola de poliadenilación y activada por fosforilación por Cdk1 abandera una tercera ola que posibilita la expresión de proteínas que mantienen el arresto en metafase-II.

A diferencia de sus homólogos CPEB1 y CPEB4, los papeles de CPEB2 y CPEB3 en maduración meiótica siguen sin caracterizar. Por ello y para entender como esta familia de proteínas de unión al RNA se coordina para dictar la expresión génica hemos realizado una investigación sistemática y comparativa de las CPEBs en maduración meiótica.