Identification and Characterization of Ribosomal Pausing Loci Responsible for Neural Development

Abstract

[EN] Normal brain function requires correctly shaped and interconnected neurons. Abnormalities in brain development cause neurological disorders such as autism and epilepsy. The regulation of this process is dependent on the precise modulation of the expression of a variety of proteins. Thus, study of translation dynamics is key to the understanding of brain development and the creation of new therapies. In 2009 ‘ribosome profiling’ was introduced as new technique for the genome-wide analysis of protein translation. It allows the determination of ribosome occupancy along the transcriptome, which is directly related to translation efficiency. Thanks to the introduction of ribosome profiling an emerging mechanism of protein synthesis regulation, ribosomal pausing, has attracted increasing interest from researchers. The introduction of ribosome profiling has contributed to the interest of researchers in an emerging mechanism of protein synthesis regulation, ribosomal pausing. The causes of ribosomal pausing are not clear, but it can influence processes important for neuron differentiation such as mRNA transport across the cytoplasm. mTOR is a key regulator of translation in mammalian cells, having an important role in neuron morphogenesis. It can influence the elongation step of translation, and therefore could have an effect on ribosomal pausing. In this study, ribosome profiling data from mouse cortical neurons and embryonic stem cells is analyzed with the intention of discovering ribosomal pausing events that are potentially related to neural development. Samples treated with the mTOR inhibitor Torin 1 are included to assess the role of this important regulator in ribosomal pausing. The distribution of ribosomes along coding regions of the genome is studied, and the ribosomal pausing loci discovered are compared across the samples. Finally, some examples of translation pauses that could be important in neural development are discussed.

[ES] El funcionamiento normal del cerebro requiere que las neuronas se desarrollen y se conecten entre ellas adecuadamente. Anomalías en el desarrollo cerebral dan lugar a desórdenes neurológicos tales como autismo o epilepsia. La regulación de este proceso depende de la modulación precisa de la expresión de diversas proteínas. Por lo tanto, el estudio de las dinámicas de la síntesis de proteínas (o traducción) es clave para entender el desarrollo del cerebro y para la creación de nuevas terapias. En 2009 se introdujo una nueva técnica para el análisis a nivel genómico de la traducción, bautizada como “ribosome profiling” o “huella ribosomal”. Permite la determinación del nivel de “cobertura ribosomal” a lo largo del transcriptoma, el cual está directamente relacionado con la eficiencia de la traducción. La introducción de esta técnica ha contribuido a despertar el interés en un mecanismo poco estudiado de regulación de la síntesis de proteínas: las pausas ribosomales. Las causas de las pausas ribosomales no están claras, pero pueden tener influencia sobre procesos que son importantes para la diferenciación neuronal como el transporte del mRNA a través del citoplasma. La proteína mTOR es un regulador clave de la traducción en células de mamífero, y desempeña un papel importante en la morfogénesis neuronal. Puede influenciar el paso de elongación de la traducción, y por lo tanto podría tener efectos en las pausas ribosomales. En este trabajo, los datos obtenidos por “ribosome profiling” a partir de neuronas corticales y células madre embrionarios de ratón son analizados con la intención de descubrir pausas ribosomales que estén potencialmente relacionadas con el desarrollo neuronal. Se incluyen muestras tratadas con Torin 1, un inhibidor de mTOR, para comprobar el papel de este importante regulador en el pausado ribosomal. La distribución de los ribosomas en las regiones codificantes del genoma, y los lugares de pausado ribosomal descubiertos son comparados entre muestras. Finalmente, se discuten algunos ejemplos de pausas en la traducción que podrían ser importantes para el desarrollo neural.