Characterization of Arabidopsis LUC7 proteins reveals functions of the U1 snRNP in alternative splicing and splicing of terminal introns

Abstract

In eukaryotes, RNA polymerase II transcripts often contain intervening sequences called introns that have to be removed from the nascent RNA while the flanking sequences, the exons, are joined together. This process, called splicing, is an essential step before the translation of the mature mRNAs. Splicing is not only important for normal growth and development, but it also allows organisms to respond and adapt fast to changes in the environment. Despite the relevance of splicing and its broad impact in potentially all biological processes, little is known about its mechanism in plants. The removal of introns is catalyzed by the spliceosome, a highly dynamic macromolecular complex formed by five subcomplexes of small nuclear ribonucleoproteins particles (U snRNP). The focus of this study was one of these subcomplexes, the U1 snRNP, which binds to 5’ splice sites and plays a fundamental role in the early steps of the splicing reaction. This study revealed that Arabidopsis LUC7 proteins are U1 snRNP components that act in constitutive and alternative splicing mainly in a redundant manner. In addition, although LUC7A interacts with SERRATE and with the nuclear cap-binding complex -proteins that are known to be involved primarily in splicing of cap-proximal introns-, LUC7 proteins specifically promote splicing of a subset of terminal introns. It was also shown here that splicing of LUC7 dependent terminal intron is a prerequisite for the transcript nuclear export. Moreover, retention of some of these terminal introns is regulated by cold stress in wild type. In agreement with roles under stress conditions, luc7 triple mutant displays a significant amount of stress-related genes that are up-regulated and in addition, this mutant is salt and ABA hypersensitive. Finally, global analyses revealed that first and last introns are more prone to be regulated under stress conditions uncovering an unknown bias for splicing regulation in Arabidopsis.

In Eukaryonten werden pre-mRNAs oft durch nicht-kodierende Sequenzabschnitte, sogenannte Introns, unterbrochen. Der Prozess des RNA-Speißens dient dazu, Introns zu entfernen und die kodierenden Sequenzen, auch Exons genannt, zu fusionieren. mRNA-Speißen ist ein wesentlicher Schritt vor der Translation von mRNAs in Proteine und kann auf verschiedenste Weisen reguliert werden. Die Entfernung von Introns wird durch das Spleißosom katalysiert. Das Spleißosom setzt sich aus fünf Subkomplexen (U snRNP) zusammen, die von verschiedensten Proteinen und RNAs (snRNA) gebildet werden. In Pflanzen spielt die Regulation des Speißens eine entscheidende Rolle bei unterschiedlichen Entwicklungsprozessen und Reaktionen auf veränderte Umweltbedingungen. Trotz der Relevanz des Spleißens ist relativ wenig über den Mechanismus des Spleißen und den daran beteiligten Proteinen bekannt. Der Schwerpunkt dieser Studie war die Analyse des U1 snRNP, das an 5’ Spleißstellen bindet und dem wichtige Funktionen bei frühen Schritten des Spleißens zukommen. Die Untersuchung ergab, dass Arabidopsis LUC7-Proteine wichtige U1-snRNP-Komponenten sind, die beim konstitutiven und alternativen Spleißen eine vorwiegend redundant Funktion ausüben. Obwohl LUC7 mit Proteinen interagiert, die für die Entfernung von ersten Introns wichtig sind (SERRATE und der nuklearen Cap-bindenden Komplex), weisen LUC7 Proteine eine spezielle Funktion bei der Entfernung von terminalen Introns auf. Das Entfernen der terminalen Introns ist eine Bedingung für den Transport der mRNAs vom Zellkern in das Cytosol. Das Spleißen der LUC7-abhängigen terminalen Introns kann durch abiotischen Stress moduliert werden, was auf eine spezielle Bedeutung von LUC7 bei der pflanzlichen Stressantwort hindeutet. In der Tat sind luc7 Mutanten weniger stressresistent und weisen eine Missregulation vieler Stress-regulierter Gene auf. Globale Analysen zeigten, dass das Spleißen von ersten und terminalen Introns unter Stressbedingungen vermehrt verändert wird. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass eine U1 snRNP Komponente, LUC7, eine wichtige Funktion bei der Entfernung von terminalen Introns spielt und dass das Spleißen von terminalen Introns eine wichtige Rolle bei der pflanzlichen Stressantwort spielen kann.