Project

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The role of tRNA modifications in vertebrates

English title The role of tRNA modifications in vertebrates
Applicant Leidel Sebastian
Number 184947
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement für Chemie und Biochemie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Biochemistry
Start/End 01.01.2020 - 31.12.2023
Approved amount 846'720.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Biochemistry
Genetics

Keywords (5)

protein homeostasis; tRNA modification; translation; RNA biology; ribosome profiling

Lay Summary (German)

Lead
Transfer RNA (tRNA) sind Adaptermoleküle, die die Codons einer messenger RNA (mRNA) ablesen und dadurch die korrekte Reihenfolge der Aminosäuren während der Proteinsynthese sicherstellen. Um die Funktionalität von tRNAs zu gewährleisten, werden diese durch spezifische Enzyme nach ihrer Transkription durch eine Vielzahl chemischer Gruppen modifiziert. Diese Modifizierungen spielen eine entscheidende Rolle für die Funktionalität der tRNA, und Defekte in Modifizierungsenzymen wurde mit verschiedenen metabolischen und degenerativen Erkrankungen des Menschen in Verbindung gebracht. Andererseits erfolgte die Untersuchung von tRNA Modifizierungen überwiegend in einfachen Organismen wie Bakterien oder Bäckerhefe. Auch wenn derartige Modellsysteme einen wichtigen Beitrag zum Verständnis chemischer Modifizierungen geleistet haben, ist es wichtig, die Funktion der Modifizierungen in Vertebraten zu untersuchen, um ihre Rolle während der Entwicklung...
Lay summary
Die Rolle von chemischen tRNA Modifizierungen in Vertebraten

Lead
Transfer RNA (tRNA) sind Adaptermoleküle, die die Codons einer messenger RNA (mRNA) ablesen und dadurch die korrekte Reihenfolge der Aminosäuren während der Proteinsynthese sicherstellen. Um die Funktionalität von tRNAs zu gewährleisten, werden diese durch spezifische Enzyme nach ihrer Transkription durch eine Vielzahl chemischer Gruppen modifiziert. Diese Modifizierungen spielen eine entscheidende Rolle für die Funktionalität der tRNA, und Defekte in Modifizierungsenzymen wurde mit verschiedenen metabolischen und degenerativen Erkrankungen des Menschen in Verbindung gebracht. Andererseits erfolgte die Untersuchung von tRNA Modifizierungen überwiegend in einfachen Organismen wie Bakterien oder Bäckerhefe. Auch wenn derartige Modellsysteme einen wichtigen Beitrag zum Verständnis chemischer Modifizierungen geleistet haben, ist es wichtig, die Funktion der Modifizierungen in Vertebraten zu untersuchen, um ihre Rolle während der Entwicklung komplexer multizellulärer Organismen zu verstehen.

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts
Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist es, zu einem verbesserten Verständnis der Rolle von chemischen RNA Modifizierungen beizutragen. Es geht uns darum zu verstehen, welche Funktionen diesen Modifizierungen während der Wirbeltierentwicklung zukommt. Daher werden wir Stammzell-basierte Differenzierungsmodelle und Zebrafische verwenden.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts
Unsere Arbeit wird neue Erkenntnisse zur Rolle von tRNA Modifizierungen in Wirbeltieren gewinnen. Diese Erkenntnisse folgen einerseits dem Ziel der Grundlagenforschung. Andererseits werden wir Einsichten in die Entstehung komplexer degenerativer Erkrankungen erhalten. Unser Projekt kann daher Ansatzpunkte für die Entwicklung neuartiger therapeutischer Strategien darstellen.

Keywords
Transfer RNA, tRNA, ncRNA, non-coding RNA, tRNA modification, RNA mass spectrometry, stem cells, zebrafish, cell culture, deep sequencing, ribosome profiling
Direct link to Lay Summary Last update: 06.12.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
141735 NCCR RNA & disease: Understanding the role of RNA biology in disease mechanisms (phase I) 01.05.2014 National Centres of Competence in Research (NCCRs)

Abstract

Transfer RNA (tRNA) are the adaptor molecules that physically link the messenger RNA (mRNA) codons to their respective amino acids. To ensure their functionality, tRNAs carry a plethora of natural chemical modifications that are introduced posttranscriptionally by RNA modifying enzymes. tRNA modifications affect all aspects of tRNA biology including processing, localization and charging by aminoacyl-tRNA synthetases. As such, they play a central role in mRNA translation and their absence can perturb accuracy, speed and efficiency of protein synthesis and trigger protein homeostasis defects. Hence, it is not surprising that perturbations in tRNA modifications are linked to cancer and a growing list of degenerative and metabolic human diseases.Over 50 years of research has resulted in the discovery of a large set of tRNA modifications and theirmodification enzymes. Sophisticated analyses have revealed mechanisms of their interactions and function. However, most of these studies were conducted in vitro or in single-cell organisms, which means that we lack a detailed understanding of tRNA modifications in vertebrates. Only if we understand the in vivo mechanisms of tRNA modifications in vertebrates, will we be able to decipher their role in human disease. Currently, information of many tRNA modifications have been obtained mostly from yeast studies, and we have yet to identify many human modification enzymes. Furthermore, we are just beginning to understand how tRNA modification defects affect translation dynamics and cellular stress responses in humans. Thus, the goal of this project is to lay a systematic basis for future tRNA modification research and to analyze a selected set of modification mutants in detail. This will shed light on the role of tRNA modifications in vertebrates by:1. determining sequence information for the lacking tRNA isoacceptors and discover elusive modification enzymes.2. systematically generating knockouts of tRNA modification genes in HEK293 cells and determine translation dynamics and which branches of cellular quality control are triggered.3. analyzing the role of anticodon modifications during development using human iPSC and zebrafish.Over the last years, my lab has applied and optimized the methodology required to address tRNA modifications at every relevant systems level. We use RNA mass spectrometry to identify and quantifymodifications and ribosome profiling for an in-depth characterization of translation dynamics. In this project, we will employ this powerful toolset to explore the role of tRNA modifications in vertebrates. Our work will further our understanding of the role of tRNA modifications in humans. By identifying missing modification enzymes and by dissecting the molecular, cellular and organismal phenotypes of hypomodifications, we will identify common mechanisms that underlie phenotypes in vertebrates. Finally, we will close significant gaps of knowledge and will contribute to expanding the basis for future tRNA research.
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