A multiscale spatiotemporal map of protein-RNA assemblies in human cells

Abstract

RNA metabolism is dynamically orchestrated by RNA-binding proteins (RBPs) in different subcellular spaces. Aberrant regulation of the subcellular RNA-protein interactions leads to severe diseases, such as neural degenerations and cancers. Understanding the precise spatiotemporal dynamics of RBPs and their interacting networks in the steady state and upon perturbation is key to deciphering the cell function. We present the coRIC (compartmentalized RNA Interactome Capture) map, an experimental resource and analytical pipeline to study the subcellular dynamics of RBPs through multimodal dataset integration and machine learning. coRIC map successfully identified 1,768 RBPs, including previously underestimated RBPs, spanning 14 major subcellular regions. This map offered us the opportunity to delineate subcellular RBP features, their intermolecular and intercompartmental relationships. We have also defined the hierarchy of RBP complexes at multiple scales across the cell, uncovering previously unknown functions of multiple RBPs, such as IGF2BP1. Application of coRIC under the perturbations of DNA damage and ALS-related dipeptide repeats uncovered the cRBP dynamic changes in complex composition and subcellular distribution. Our work provides a new reference for systematically studying the subcellular RNA-protein interactions, which helps understand the RBP regulatory networks in RNA biology and disease.

El metabolismo del ARN está orquestado dinámicamente por proteínas de unión a ARN (RBP) en diferentes espacios subcelulares. La regulación aberrante de las interacciones subcelulares entre ARN y proteínas conduce a enfermedades graves, como degeneraciones neuronales y cánceres. Comprender la dinámica espaciotemporal precisa de las RBP y sus redes interactivas en estado estacionario y tras perturbaciones es clave para descifrar la función celular. Presentamos el mapa coRIC (captura compartimentada de interactomas de ARN), un recurso experimental y un canal analítico para estudiar la dinámica subcelular de RBP a través de la integración de conjuntos de datos multimodales y el aprendizaje automático. El mapa coRIC identificó con éxito 1768 RBP, incluidas RBP previamente subestimadas, que abarcan 14 regiones subcelulares principales. Este mapa nos ofreció la oportunidad de delinear las características de la RBP subcelular, sus relaciones intermoleculares e intercompartimentales. También hemos definido la jerarquía de complejos RBP en múltiples escalas en la célula, descubriendo funciones previamente desconocidas de múltiples RBP, como IGF2BP1. La aplicación de coRIC bajo las perturbaciones del daño del ADN y las repeticiones de dipéptidos relacionadas con la ELA descubrió los cambios dinámicos de cRBP en la composición compleja y la distribución subcelular. Nuestro trabajo proporciona una nueva referencia para estudiar sistemáticamente las interacciones subcelulares entre ARN y proteínas, lo que ayuda a comprender las redes reguladoras de RBP en la biología y las enfermedades del ARN.