The Exonuclease Xrn1 : a key regulator of gene expression under physiological and perturbed conditions

Abstract

The highly conserved exonuclease Xrn1 plays a dual role in gene expression by degrading cellular mRNAs and promoting their transcription initiation and elongation. In this thesis we uncover an unanticipated role of Xrn1 in translational control under physiological conditions and in cell adaptation and survival under osmotic stress conditions. Here we show that Xrn1 promotes translation of brome mosaic virus (BMV) RNAs in Saccharomyces cerevisiae. By integrating ribosome profiling analysis to functional and biochemical studies we report a broader role of Xrn1 in translation initiation of a subset of yeast mRNAs encoding membrane proteins. Xrn1-dependent yeast transcripts, as the viral ones, harbor highly structural traits around the translation initiation site (TIS) that confers a poor context for translation initiation. Interestingly, functional studies indicated that the unstructured C-terminal domain of Xrn1 interacts with components of the translation initiation machinery to facilitate protein synthesis and that Xrn1 mediates the correct localization of Xrn1-dependent mRNAs at the endoplasmic reticulum, the cellular translation compartment where membrane proteins are synthesized. Importantly, Xrn1 promotes transcription, translation and decay of the same group of mRNAs. Together, our results reveal a novel crosstalk between the three major steps of gene expression coordinated by Xrn1 to finely tune expression of membrane proteins. We surmise that this linkage has evolved to avoid toxic aggregations, as membrane proteins contain hydrophobic domains prone to aggregate. Not only is gene expression an important cellular process under physiological conditions, but it also plays a key role in the adaptation and survival of cells to changing environmental conditions. Importantly, previous studies linked Xrn1 to the regulation of yeast mRNA homeostasis in response to glucose deprivation. In this thesis we show that Xrn1 modulates cellular transcriptional and translational responses upon hyper-osmotic shock by combining genome-wide RNA sequencing with functional and biochemical analyses. Microscopy imaging revealed that Xrn1 localizes to stress-induced aggregates shortly after osmotic shock in a manner dependent on its unstructured C-terminal domain. This localization is mediated by the major signal integrator Snf1 adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK). Under these conditions Xrn1 maintains a diminished exonuclease activity and assists in the transcriptional and translational activation of a subset of osmo-induced genes that are enriched for proteins interacting with Hog1, the main mitogen-activated protein kinase involved in osmoregulation. Based on the evidence provided we claim that the exonuclease Xrn1 links the Snf1 and Hog1 pathways to control gene expression upon osmotic stress. Collectively, our results point to Xrn1 as a key regulator of gene expression under physiological and perturbed conditions.

La exonucleasa altamente conservada Xrn1 desempeña un doble papel en la expresión génica al degradar los ARNm celulares y promover la iniciación y el alargamiento de la transcripción de los mismos. En esta tesis descubrimos un papel no anticipado de Xrn1 en el control de la traducción de ARNm bajo condiciones fisiológicas y en la adaptación y supervivencia celular bajo estrés osmótico. Aquí mostramos que Xrn1 promueve la traducción de ARN del virus del mosaico del bromo (BMV) en Saccharomyces cerevisiae. Al integrar el análisis de perfiles de ribosomas a estudios funcionales y bioquímicos, confirmamos un papel más amplio de Xrn1 en el inicio de la traducción de un subconjunto de ARNm de levadura que codifica proteínas de membrana. Los tránscritos celulares dependientes de Xrn1, como los virales, albergan rasgos altamente estructurales alrededor del sitio de inicio de la traducción (TIS) que confieren un contexto pobre para el inicio de la traducción. Además, estudios funcionales indicaron que el dominio C-terminal no estructurado de Xrn1 interactúa con los componentes de la maquinaria de iniciación de la traducción para facilitar la síntesis de proteínas y que Xrn1 media la localización correcta de los ARNm dependientes de Xrn1 en el retículo endoplasmático, el compartimento de traducción celular donde las proteínas de membrana son sintetizadas. Es importante destacar que Xrn1 promueve la transcripción, traducción y degradación del mismo grupo de ARNm. Juntos, nuestros resultados revelan una nueva diafonía entre los tres pasos principales de la expresión génica coordinada por Xrn1 para regular la expresión de proteínas de membrana. Suponemos que este enlace ha evolucionado para evitar agregaciones tóxicas, ya que las proteínas de membrana contienen dominios hidrófobos propensos a agregarse. La expresión génica no solo es un proceso celular importante en condiciones fisiológicas, sino que también juega un papel clave en la adaptación y supervivencia de las células a condiciones ambientales cambiantes. Es importante destacar que estudios previos vincularon Xrn1 a la regulación de la homeostasis de ARNm de levadura en respuesta a la privación de glucosa. En esta tesis hemos combinado la secuenciación de ARN de todo el genoma con análisis funcionales y bioquímicos y hemos descubierto que Xrn1 modula la transcripción y traducción de ARNm tras un choque hiperosmótico. Las imágenes de microscopía revelaron que, poco después de añadir sal a las células, Xrn1 se localiza en agregados citosólicos inducidos por el estrés de una manera dependiente de su dominio C-terminal no estructurado. Esta localización está mediada por la proteína quinasa activada por AMP Snf1. En estas condiciones, Xrn1 mantiene una actividad exonucleasa disminuida y ayuda a la activación transcripcional y traduccional de un subconjunto de genes inducidos en condiciones de estrés que están enriquecidos en proteínas que interactúan con Hog1, la principal proteína quinasa activada por mitógeno involucrada en la osmoregulación. Con base en la evidencia proporcionada, afirmamos que la exonucleasa Xrn1 une las vías Snf1 y Hog1 para controlar la expresión génica bajo estrés osmótico. En conjunto, nuestros resultados apuntan a Xrn1 como un regulador clave de la expresión génica en condiciones fisiológicas y cambiantes.