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Transport and local translation of mRNAs in neurons

English title Transport and local translation of mRNAs in neurons
Applicant Chao Jeffrey
Number 156477
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Friedrich Miescher Institute for Biomedical Research
Institution of higher education Institute Friedrich Miescher - FMI
Main discipline Molecular Biology
Start/End 01.01.2015 - 31.12.2017
Approved amount 454'000.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Molecular Biology
Biochemistry
Biophysics

Keywords (4)

structural biology; live cell imaging; RNA localization; RNA-protein complex

Lay Summary (German)

Lead
Das hier beschriebene Forschungsprojekt hat das Ziel das funktionale Verständins der molekularen Mechanismen, die verantwortlich für den Transport und die lokale Translation von mRNA Molekülen in Neuronen sind, zu vergrössern. Hierfür werden wir ein fluoreszensmikroskopisches Verfahren verwenden, welches in der Lage ist einzelne mRNA Moleküle in lebenden Zellen darzustellen. Zusätzlich werden wir unsere mikroskopischen Studien mit biochemischen und strukturbiologischen Methoden kombineren. Unsere Forschungsresultate werden dabei helfen zu verstehen , wie Defekte der lokalen Proteinsynthese zu neurologischen und neurodegenerativen Erkrankungen beitragen können.
Lay summary

Der komplexe Prozess der Genexpression, während dem Informationen die in der DNA gespeichert sind erst in mRNA umgeschrieben und dann in Proteine umgewandelt werden, verlangt eine genaue molekulare, zeitliche und räumliche Abstimmung aller beteiligten Komponenten in der jeweiligen Zelle. In einigen Fällen erfolgt die Genexpression so spezifisch, dass die Informationen die in den mRNA Molekülen gespeichert sind erst zu ihrem Bestimmungsort transportiert werden, um dann erst exakt dort in Proteine übersetzt zu werden. Nervenzellen sind vergleichsweise langgestreckte Zellen die miteinander über Verbindungen, sogenannte Synapsen, kommunizieren. Die spezifische Stärkung und Schwächung der Synapsen durch lokale und spezifische Genexpression wird mit Lernprozessen im Gehirn in Verbindung gesetzt. Die Störung dieser Prozesse kann allerdings zu einer Vielzahl neurodegenerativer Erkrankungen führen. Zur Zeit ist jedoch erst wenig über die genauen Mechanismen dieser Regulationsprozesse in den Synapsen bekannt.

Wir versuchen daher den RNA Transport in Nervenzellen zu den Synapsen und die anschliessende Proteinsynthese durch eine Vielzahl makromolkularer Komplexe besser zu verstehen. Um RNA Moleküle in lebendigen Zellen beobachten zu können, haben wir eine Fluoreszensmikroskopie basierte Methode entwickelt. Diese Methode erlaubt es die exakte RNA Position zu bestimmen und festzustellen ob das jeweilige Molekül schon in Proteine übersetzt wurde. Zusätzlich können wir die verschiedenen Schritte der genetischen Regulation eines RNA Moleküls verfolgen und Faktoren identifizieren die diese Schritte beeinflussen können. Ausserdem planen wir Strukturanalysen um die RNA-protein Komplexe, die für den Transport der RNA verantwortlich sind besser zu verstehen. Langfristiges Ziel unserer Forschung ist es den Transport von RNA und die lokale Proteinsynthese auf zellulärer, sowie molekularer Ebene bildgebend darzustellen.

Direct link to Lay Summary Last update: 10.12.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Detection of the First Round of Translation: The TRICK Assay.
Voigt Franka, Eglinger Jan, Chao Jeffrey A. (2018), Detection of the First Round of Translation: The TRICK Assay., Springer New York, New York, NY.
Single-Molecule Quantification of Translation-Dependent Association of mRNAs with the Endoplasmic Reticulum
Voigt Franka, Zhang Hui, Cui Xianying A., Triebold Désirée, Liu Ai Xin, Eglinger Jan, Lee Eliza S., Chao Jeffrey A., Palazzo Alexander F. (2017), Single-Molecule Quantification of Translation-Dependent Association of mRNAs with the Endoplasmic Reticulum, in Cell Reports, 21(13), 3740-3753.
The Dynamics of mRNA Turnover Revealed by Single-Molecule Imaging in Single Cells
Horvathova Ivana, Voigt Franka, Kotrys Anna V., Zhan Yinxiu, Artus-Revel Caroline G., Eglinger Jan, Stadler Michael B., Giorgetti Luca, Chao Jeffrey A. (2017), The Dynamics of mRNA Turnover Revealed by Single-Molecule Imaging in Single Cells, in Molecular Cell, 68(3), 615-625.e9.
TRICK: A Single-Molecule Method for Imaging the First Round of Translation in Living Cells and Animals.
Halstead J.M., Wilbertz J.H., Wippich F., Lionnet T., Ephrussi A., Chao J.A. (2016), TRICK: A Single-Molecule Method for Imaging the First Round of Translation in Living Cells and Animals., in Jaffrey Samie (ed.), Elsevier, USA, 123-157.

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
RNA modification and epitranscriptomics Poster Structure of IMP3 RRM12 bound to RNA 11.11.2017 Suzhou, China Jia Min;
FEBS 2017 Talk given at a conference Imaging the life and death of mRNAs in single cells 12.09.2017 Jerusalem, Israel Chao Jeffrey;
Stress-Associated RNA Granules in Human Disease and Viral Infection Talk given at a conference Spatio‐temporal mRNA dynamics in Stress Granules and P-bodies 10.09.2017 Heidelberg, Germany Wilbertz Johannes;
CSHC Eukaryotic mRNA Processing Poster Mechanistic insights into mRNA localization in mammalian cells during stress 22.08.2017 Cold Spring Harbor, United States of America Wilbertz Johannes;
Translation machinery in health and disease Talk given at a conference Imaging the life and death of mRNAs in single cells 23.03.2017 Galveston, United States of America Chao Jeffrey;
Keystone Symposia: RNA-protein interactions Talk given at a conference Imaging the life and death of mRNAs in single cells 08.02.2017 Banff, Canada Chao Jeffrey;
Cell Symposia: Functional RNAs Talk given at a conference Imaging the life and death of mRNAs in single cells 06.11.2016 Guangzhou, China Chao Jeffrey;
Complex life of mRNA Talk given at a conference Imaging the life and death of mRNAs in single cells 05.10.2016 Heidelberg, Germany Chao Jeffrey;
EMBO The Complex Life of mRNA Poster Spatio‐temporal translation regulation in mammalian cells during stress 05.10.2016 Hiedelberg, Germany Wilbertz Johannes;
​Integrative structural biology Poster Structure of IMP3 RRM12 bound to RNA 18.07.2016 Paris, France Jia Min;
RNA Localization Talk given at a conference Imaging the life and death of mRNAs in single cells 28.06.2015 Crete, Greece Chao Jeffrey;
RNA Society Meeting Talk given at a conference Single-molecule imaging of mRNAs in living cells during stress 26.05.2015 Madison, United States of America Wilbertz Johannes;
Institut Curie Post-transcriptional gene regulation course Talk given at a conference Imaging the life and death of mRNAs in single cells 23.03.2015 Orsay, France Chao Jeffrey;


Communication with the public

Communication Title Media Place Year
Media relations: print media, online media Wer steuert unser Leben? Die Zeit German-speaking Switzerland 2016

Awards

Title Year
EMBO Young Investigator 2018

Abstract

The spatial and temporal control of gene expression is an evolutionarily conserved mechanism for restricting protein synthesis to discrete sub-cellular locations at the time when the gene product is needed. Neurons have elaborate cellular morphologies with intricate dendritic arbors and long-ranging axons that make thousands of synaptic connections to other neurons which must be individually modified in order to process information. This precise control of gene expression is achieved, in part, by the transport of specific mRNAs from the soma to these remote sites of cell-to-cell contact where they can then be locally translated. We propose to investigate the molecular mechanisms that regulate such finely tuned gene expression by applying a combination of single-molecule live cell imaging techniques with molecular biology, biochemistry and structural biology. Since defects in regulation of local translation in neurons are thought to contribute to a number of neurological and neuromuscular disorders, our studies may provide a molecular foundation for understanding these diseases.
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