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Towards understanding mechanism and physiological role of nonsense-mediated mRNA decay (NMD)

English title Towards understanding mechanism and physiological role of nonsense-mediated mRNA decay (NMD)
Applicant Mühlemann Oliver
Number 204161
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Departement für Chemie, Biochemie und Pharmazie Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Molecular Biology
Start/End 01.10.2021 - 30.09.2025
Approved amount 908'000.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Molecular Biology
Cellular Biology, Cytology
Biochemistry

Keywords (7)

Nonsense-mediated mRNA decay; genome editing; translation termination; RNP purification; mRNA turnover; in vitro translation; posttranscriptional gene regulation

Lay Summary (German)

Lead
“Nonsense-mediated mRNA Deacy” (NMD) ist ein evolutionär konservierter Mechanismus der Boten-RNAs (mRNA) erkennt und degradiert, die Probleme bei der Translationstermination haben. Während NMD ursprünglich als Qualitätskontrolle der Genexpression wahrgenommen wurde, bei der aberrante mRNAs mit vorzeitig durch Stopkodone unterbrochenem Leseraster erkannt und eliminiert werden, ist inzwischen klar, dass auch viele intakte mRNAs die für funktionelle Proteine kodieren durch NMD reguliert werden, so dass NMD heute als eine translationsabhängige Form der Genregulation verstanden wird. Das vorliegende Projekt hat zum Ziel den molekularen Mechanismus von NMD und dessen physiologische Bedeutung besser zu verstehen.
Lay summary

Bei der Genexpression ist jeder der unzähligen involvierten biochemischen Schritte mit einer gewissen Fehlerrate behaftet. Um die Akkumulierung zu vieler Fehler in mRNAs zu vermeiden, haben eukaryontische Zellen mehrere Checkpoints entwickelt die fehlerhafte mRNAs erkennen und rasch abbauen. Einer dieser Checkpoints erkennt mRNAs, deren Proteinbauplan vorzeitig abbricht und für den Prozess des schnellen Abbaus dieser sogenannten nonsense mRNAs wurde der Fachbegriff „Nonsense-mediated mRNA Decay“ (NMD) geprägt. Über seine Qualitätskontrollfunktion hinaus reguliert NMD auch die intrazelluläre Konzentration von ungefähr 10% aller bekannten mRNAs, was NMD zu einem bedeutenden zellulären Regulator der Genexpression macht. Welche biologischen Prozesse durch NMD reguliert werden, ist jedoch noch nicht erforscht und ein Ziel dieses Projekts ist, mehr über die physiologischen Funktionen von NMD in humanen Zellen zu erfahren. Wir wollen zudem Studien vertiefen, die darauf hinweisen, dass die pharmakologische Hemmung von NMD ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Antikörper-basierten Krebstherapie sein könnte. Als Ergänzung zur Erforschung der biologischen Funktionen von NMD versuchen wir auch die molekularen Mechanismen von NMD aufzuklären. Mit einem genomweiten Mutagenese-Screen wollen wir neue Proteine entdecken, die beim NMD Prozess involviert sind und die exakte Rolle dieser Proteine in NMD aufklären. Ein weiteres Teilprojekt hat zum Ziel zu verstehen, inwiefern sich die Translationstermination an einem Stopkodon das NMD auslöst von der Termination an einem Stopkodon unterscheidet, das die mRNA intakt lässt. Schliesslich interessiert uns auch zu verstehen, wie genau die beim NMD zentral wichtige Endonuklease SMG6 zu den NMD-sensitiven mRNAs gelangt und diese entzwei schneidet. 
Zusammengefasst wird unsere Forschung uns weiterbringen beim Verständnis der molekularen Mechanismen von NMD und der durch diesen Prozess regulierten Gene in menschlichen Zellen. Da ungefähr ein Drittel aller mit Krankheiten assoziierten Genmutationen zur Produktion von aberranten mRNAs führt, ist NMD ein wichtiger Modulator der klinischen Manifestationen dieser Mutationen und die kontrollierte Manipulation der NMD Aktivität von grossem medizinischem Interesse. Unsere Forschungresultate bilden die Basis für künftige Entwicklungen von spezifischen Therapieansätzen für Erbkrankheiten, die durch NMD positiv oder negativ beeinflusst werden.

Direct link to Lay Summary Last update: 04.10.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
182880 NCCR RNA & disease: The role of RNA biology in disease mechanisms (phase II) 01.05.2018 National Centres of Competence in Research (NCCRs)
182831 Towards understanding mechanism and physiological role of nonsense-mediated mRNA decay (NMD) 01.10.2018 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Initially conceived as a quality control pathway that recognizes and specifically degrades aberrant mRNAs with premature termination codons (PTCs), thereby ridding the cells of C-terminally truncated proteins with potentially toxic functions, it is meanwhile clear that nonsense-mediated mRNA decay (NMD) also contributes to post-transcriptional gene regulation in a way that goes far beyond quality control. Transcriptome-wide mRNA profiling in a broad range of eukaryotes revealed that inactivation of NMD affects, directly and indirectly, the levels of about 10% of all cellular mRNAs, the majority of which appears to encode full-length functional proteins, indicating an important role of NMD in posttranscriptional regulation of gene expression. NMD is essential for the embryonic development of vertebrates and an important modulator of genetic disease phenotypes in humans, since about 30% of all known disease-causing mutations are predicted to give rise to NMD-sensitive transcripts. Moreover, there is evidence that NMD inhibition might be a promising strategy to fight cancer.Over the past 20 years, our lab contributed both to the dissection of the molecular mechanism of NMD as well as to a better understanding of the biological functions of NMD in human cells. The four projects proposed here represent the continuation of our ongoing research along these two lines by using a combination of biochemical, structural, molecular biology, cell biology and reverse genetics methods: 1.) Since NMD activation is tightly linked to translation termination, we plan on the mechanistic side to apply our in vitro translation system to biochemically enrich for, purify and characterize translation terminating ribosome complexes to reveal differences between termination events that trigger NMD and those that do not. 2.) Furthermore, we aim at solving the structure of the NMD-inducing endonuclease SMG6 associated with ribosomes by cryo-EM (in collaboration with the Cryo-EM Knowledge Hub of the ETH and the Ban group) and functionally characterize this interaction to further our understanding of the RNA decay inducing step of NMD. 3.) We plan to finish our currently ongoing screen for novel NMD factors in human cells, validate the positive hits and conduct functional and biochemical characterizations of the most interesting factors to elucidate their role in NMD. 4.) Finally, we want to unravel the role of NMD in cell differentiation and lineage commitment using human inducible pluripotent stem cells (iPSCs) as a model and to test whether NMD inhibition could be a way to enhance MHC-associated neoantigen presentation on the cell surface in order to better reveal the cancer cells to the immune system.Collectively, our research aims at advancing our understanding of the molecular mechanism of NMD and its physiological role in human cells. Our results will provide the necessary basis for the future development of highly specific approaches to manipulate NMD activity in a controlled way in different disease contexts.
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