The RNA binding protein Mip6, a novel cellular partner of Mex67 export factor with implications in mRNA export

Abstract

Nuclear export of messenger ribonucleic acid (mRNA) is a complex and essential process for a correct gene expression in all eukaryotic cells. The export of mRNA through the nuclear pore complex depends mostly on the crosstalk and coordination of several proteins forming what is known as mRNPs (messenger ribonucleoproteins) that play dynamic, interconnecting roles in the different mRNA biogenesis steps such as pre-mRNA processing, stability, and export. One key protein in this process is Mex67, conserved from yeast to humans, is the major messenger RNA exporter also involved in ribosomal RNA export. Mex67 interacts with Mtr2 to form an evolutionary conserved heterodimer essential for proper mRNA export and subsequently the survival of the cell. Mex67 have been studied for many years, however due to the complexity and interconnectivity of the different processes in mRNA biogenesis, there is yet to uncover many details on the dynamics of the process and the crosstalk between Mex67 and its many partners. In this study, using a combination of biochemical, biophysical, and structural analysis, we characterize the interaction between Mex67 and a novel partner protein called Mip6 (Mex67 interacting protein 6). We were able to reconstitute a stable complex in vitro, and extensively study the mechanism in which the two proteins interact. We also solved the crystal structure of the C-terminal region of Mex67 that interacts with Mip6 and identified the UBA domain of Mex67, known to bind FG nucleoporins and Hpr1 protein as also the site where Mip6 binds. However, little was known about the structure or function of Mip6 and its paralogue Pes4. Here we proved that Mip6 is an RNA binding protein with four RNA recognition motifs that binds RNA in vitro with high affinity. Additionally, its fourth RNA recognition motif was also the site of binding of Mex67. Furthermore, we showed that the Mex67 complex formation with Mip6 RRM4 compromises its ability to bind RNA or vice versa. We also designed a point mutation on Mip6 RRM4 that disrupts its interaction with Mex67 but not with RNA. Subsequent in vivo yeast assays led us to hypothesize a role of Mip6 as an adaptor protein for Mex67 in nuclear export especially upon stress. Additional function of Mip6 was the localization of its bound mRNA to cytoplasmic stress granules in cellular stress conditions. Moreover, the crystal structures of Mip6 RRM3, Pes4 RRM3, Pes4 RRM4, and Pes4 RRM3/4 were also solved. All RRMs adopted a canonical RRM fold with conserved RNP1 and RNP2 sequences normally involved in RNA binding, except Mip6 RRM3 that was missing the aromatic ring in RNP2. In the structure of RNA-free Pes4 RRM3/4, the tandem RRM domains were connected with a flexible disordered linker and no inter-domain contact between them. Finally, although Pes4 RRM4 was binding RNA in vitro, it did not have the ability to interact with Mex67 thus suggesting a separate evolutionary function for Mip6 and Pes4.

La exportación nuclear de ácido ribonucleico mensajero (ARNm) es un proceso complejo y esencial para una expresión correcta de los genes en todas las células eucariotas. La exportación de ARNm a través del complejo del poro nuclear depende principalmente de la interacción y coordinación de varias proteínas, que forman lo que se conoce como mRNPs (ribonucleoproteínas mensajeras), que tienen un papel dinámico e interconectado en las diferentes etapas de la biogénesis de ARNm, tales como el procesamiento del pre-ARNm, estabilidad, y exportación. Una proteína clave en este proceso es Mex67, conservada de levaduras a humanos, que es la principal exportadora de ARN mensajero y también está implicada en la exportación de ARN ribosomal. Mex67 interacciona con Mtr2 para formar un heterodímero conservado evolutivamente esencial para una exportación adecuada de ARNm y la consiguiente supervivencia de la célula. Se ha estudiado Mex67 durante muchos años, sin embargo, debido a la complejidad e interconectividad de los diferentes procesos de biogénesis de ARNm, todavía quedan por descubrir muchos detalles de la dinámica del proceso y las interacciones entre Mex67 y sus muchas proteínas asociadas. En este estudio, combinando un análisis bioquímico, biofísico y estructural, hemos caracterizado la interacción entre Mex67 y una nueva proteína asociada denominada Mip6 (proteína 6 que interacciona con Mex67). Hemos podido reconstituir un complejo estable in vitro y estudiar extensivamente el mecanismo por el cual interaccionan estas dos proteínas. También hemos resuelto la estructura cristalográfica de la región C-terminal de Mex67 que interacciona con Mip6 e identificado el dominio UBA de Mex67, conocido por unirse a nucleoporinas FG y a la proteína Hpr1, así como el sitio por el que se une Mip6. No obstante, se sabía muy poco sobre la estructura o la función de Mip6 y su parálogo Pes4. Hemos probado que Mip6 es una proteína de unión a ARN con cuatro motivos de reconocimiento de ARN que se unen a ARN in vitro con una afinidad alta. Además, su cuarto motivo de reconocimiento de ARN es también el sitio de unión a Mex67. Posteriormente, demostramos que la formación del complejo de Mex67 con el dominio RRM4 de Mip6 compromete su capacidad para unir ARN o viceversa. También diseñamos una mutación puntual en el RRM4 de Mip6 que rompe la interacción con Mex67 pero no con el ARN. Los ensayos posteriores in vivo en levaduras nos permitieron establecer una hipótesis sobre el papel de Mip6 como proteína adaptadora para Mex67 en la exportación nuclear, especialmente en condiciones de estrés. Una función adicional de Mip6 era la localización del ARNm que se unía a ella en gránulos de estrés en condiciones de estrés celular. Además, hemos resuelto las estructuras cristalográficas del RRM3 de Mip6, RRM3 de Pes4, RRM4 de Pes4 y los RRM3 y 4 de Pes4. Todos los RRMs adoptaron una conformación canónica RRM con secuencias RNP1 y RNP2 conservadas generalmente implicadas en la unión a ARN, excepto el RRM3 de Mip6 que carecía del anillo aromático en RNP2. En la estructura sin ARN de los RRM3 y 4 de Pes4, los dominios RRM tándem estaban conectados por una región flexible desordenada y no había un contacto inter-dominio entre ellos. Finalmente, aunque el RRM4 de Pes4 se unía a ARN in vitro, no presentaba la capacidad de interaccionar con Mex67 lo cual sugiere una divergencia evolutiva de la función de Mip6 y Pes4.

L¿exportació nuclear d¿àcid ribonucleic missatger (mRNA) es un procés complex i essencial per a una correcta expresió gènica en totes cèl¿lules eucariotes. L¿exportació del mRNA a través del complex del porus nuclear depén principalment de la interacció i coordinació de diverses proteïnes, que formen el que es coneix com mRNPs (ribonucleoproteïnes missatgeres), que tenen un paper dinàmic i interconnectat en les diferents etapes de la biogènesi d¿ARNm, com el processament del pre-ARNm, estabilitat, localització i exportació. Una proteïna clau en aquest procés és MEX67, conservada de llevats fins a humans, que és la principal exportadora de ARN missatger i també està implicada en l¿exportació de ARN ribosomal. Mex67 interacciona amb Mtr2 per a formar un heterodímer conservat evolutivament essencial per a una exportació adequada d¿ARNm i la consegüent supervivència de la cèl¿lula. S¿ha estudiat Mex67 durant molts anys, però degut a la complexitat i interconectivitat dels diferents processos de biogènesi d¿ARNm, encara queden per descobrir molts detalls de la dinàmica del procés i les interaccions entre Mex67 i les seues moltes proteïnes associades. En aquest estudi, combinant l¿anàlisi bioquímic, biofísic i estructural, hem caracteritzat la interacció entre Mex67 i una nova proteïna associada anomenada Mip6 (proteïna 6 que interacciona amb Mex67). Hem pogut reconstituir un complex estable in vitro i estudiar extensivament el mecanisme pel qual interaccionen estes dos proteïnes. També hem resolt l¿estructura cristal¿logràfica de la regió C-terminal de Mex67 que interacciona amb Mip6 i identificat el domini UBA de Mex67, conegut per unir-se a nucleoporines FG i a la proteïna Hpr1, així com ser el lloc pel que s¿uneix Mip6. No obstant, se sabia molt poc sobre l¿estructura o la funció de Mip6 i el seu paràleg Pes4. Hem comprobat que Mip6 es una proteïna d¿unió a ARN amb quatre motius de reconeixement d¿ARN que s¿uneixen a ARN in vitro amb una afinitat alta. A més, el seu quart motiu de reconeixement d¿ARN és també el lloc d¿unió a Mex67. Posteriorment, demostràrem que la formació del complex de Mex67 amb el domini RRM4 de Mip6 compromet la seua capacitat per a unir ARN o viceversa. També vam dissenyar una mutació puntual en el RRM4 de Mip6 que trenca la interacció amb Mex67 però no amb l¿ARN. Els assajos posteriors in vivo en llevats ens van permetre establir una hipòtesi sobre el paper de Mip6 com a proteïna adaptadora per a Mex67 en l¿exportació nuclear, especialment en condicions d¿estrès. Una funció adicional de Mip6 era la localització de l¿ARNm que s¿unia a ella en grànuls d¿estrès en condicions d¿estrès cel¿lular. A més, hem resolt les estructures cristal¿logràfiques del RRM3 de Mip6, RRM3 de Pes4, RRM4 de Pes4 i els RRM3 i 4 de Pes4. Tots els RRMs adoptaren una conformació canònica RRM amb seqüències RNP1 i RNP2 conservades generalment implicades en la unió a ARN, excepte el RRM3 de Mip6 que mancava del anell aromàtic en RNP2. En la estructura sense ARN dels RRM3 i 4 de Pes4, els dominis RRM tàndem estàven conectats per una regió flexible desordenada i no hi havia un contacte interdomini entre ells. Finalment, encara que el RRM4 de Pes4 es unia a ARN in vitro, no presentava la capacitat d¿interaccionar amb Mex67, la cual cosa sugerix una divergencia evolutiva de la funció de Mip6 y Pes4.