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Titel: In vivo genome-wide analysis reveals that eIF2D coordinates motor neuronal synaptic function and locomotion behavior by regulating translation of specific mRNAs
Sonstige Titel: In vivo genome-wide analysis reveals that eIF2D coordinates motor neuronal synaptic function and locomotion behavior by regulating translation of specific mRNAs
Sprache: Englisch
Autor*in: Cardona Alberich, Aida
Schlagwörter: translation control; neuromuscular junction; Drosophila melanogaster; eIF2D; neuron
Erscheinungsdatum: 2018
Tag der mündlichen Prüfung: 2018-09-28
Zusammenfassung: 
Regulation of protein synthesis is fundamental for all aspects of eukaryotic biology. Historically, research has focused on transcription to explain cell-specific regulation of protein abundance and cell specialization. Now, we know that translation plays a key role in controlling protein levels and enables temporal- and spatially-restricted regulation of gene expression. Although the functions of canonical translation factors are quite well understood, little is known about how translation control of specific mRNAs is achieved, especially in vivo. The non-canonical translation factors differ from the canonical factors for their biochemical properties and regulation of specific mRNAs.
eIF2D has been described as non-canonical translation factor for in vitro promoting GTP-independent initiator tRNA delivery and post-termination ribosome recycling. However, eIF2D showed no impact on yeast growth or general translation. Studies from hippocampal cultured neurons suggest activity regulation of eIF2D mRNA, but the physiological functions and specific mRNA targets of eIF2D in a whole animal have not previously been identified.
This thesis explores the in vivo roles of the non-canonical translation factor eIF2D in Drosophila melanogaster. Flies lacking eIF2D have specific behavioral defects affecting locomotion speed that can be rescued by expressing eIF2D from either side of the larval Neuromuscular Junction (NMJ). To determine how this related to translational control, mRNAs regulated by eIF2D in vivo were identified using an optimized method that combines polysome profiling with RNA-seq (Poly-seq). Prominent among the eIF2D targets were mRNAs coding for proteins implicated in synaptic processes and locomotion, consistent with the observed phenotypes. Moreover, Poly-seq data lead to find protein composition changes at the NMJ in eIF2DKO larvae that could explain the phenotypes. Other eIF2D targets also include several mRNAs encoding mitochondrial proteins or gene expression regulation. Some of these eIF2D targets have common mRNA characteristics (e.g. 5’ UTR cis-elements) that could explain coordinated regulation of these mRNAs by this factor.
Collectively, these results reveal a new role for eIF2D within the motor system to promote synaptic function via coordinating translation of specific mRNAs through their 5’UTRs.

Die Regulation der Proteinbiosynthese ist grundlegend für alle biologischen Prozesse von Eukaryoten. Vergangene Studien fokussierten sich dabei auf die Transkription, um die zellspezifische Regulation von Proteinmengen und Zelldifferenzierung zu beschreiben. Gegenwärtig ist bekannt, dass die Translation eine Schlüsselrolle bei der Kontrolle der Proteinmengen einnimmt und eine zeitlich sowie räumlich beschränkte Regulation der Genexpression ermöglicht. Obwohl die Funktionen von kanonischen Translationsfaktoren weitgehend verstanden werden, bestehen noch große Unklarheiten bezüglich der Translationskontrolle spezifischer mRNAs, insbeondere in vivo. Die nichtkanonischen unterscheiden sich von den kanonischen Translationsfaktoren hinsichtlich ihrer biochemischen Eigenschaften und Regulation spezifischer mRNAs.
elF2D wurde als nichtkanonischer Translationsfaktor für in vitro begünstigte GTP-unabhängige Start-tRNA Anlieferung und Postterminations-Ribosomrecycling beschrieben. Jedoch zeigte elF2D keine Auswirkungen auf Hefewachstum oder allgemeine Translation. Studien mit hippocampal kultivierten Neuronen empfehlen eine Regulation der Aktivität von elF2D mRNA. Die physiologischen Funktionen und spezifischen mRNA-Targetmoleküle eines ganzen Tieres wurden bisher noch nicht identifiziert.
Diese Thesis untersucht die in vivo Funktionen des nichtkanonischen Translationsfaktors elF2D in Drosophila melanogaster. Fliegen mit elF2D-Mangel zeigen Verhaltensdefekte, welche die Fortbewegungsgechwindigkeit beeinflussen. Dieser Defekt kann mit der Expression von elF2D auf beiden Seiten der larvalen neuromuskulären Synapse (Neuromuscular Junction - NMJ) behoben werden. Um die Beziehung zur Translationskontrolle zu ergründen, wurden mRNAs, welche von elF2D in vivo reguliert werden, mit einer optimierten Methode, welche Polysome-profiling mit RNA-seq (Poly-seq) kombiniert, identifiziert. Besonders herausragend unter den elF2D-Targetmolekülen waren mRNAs, welche an synaptischen Prozessen und Fortbewegung beteiligte Proteine kodieren. Dieses Ergebnis stimmt mit den beobachteten Phänotypen überein. Des Weiteren ermöglichten Poly-seq Daten das Auffinden von Veränderungen in der Proteinkomposition an den NMJ von elF2DKO-Larven, welche den Phänotypen erklären könnten. Andere elF2D Target-Moleküle enthalten verschiedene mRNAs, welche mitochondrielle Proteine oder die Regulation der Genexpression kodieren. Manche dieser elF2D Target-Moleküle besitzen gemeinsame mRNA Merkmale (z.B. 5‘ UTR cis-Elemente) welche eine koordinierte Regulation von diesen mRNAs mittels dieses Faktors beschreiben könnten.
Zusammenfassend offenbaren diese Ergebnisse eine neue Rolle für elF2D innerhalb des Motorsystems, um synaptische Funktionen mittels koordinierter Translation von spezifischen mRNAs durch ihre 5’UTRs zu begünstigen.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/8143
URN: urn:nbn:de:gbv:18-97128
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Duncan, Kent (Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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