A mechanism for co-transcriptional recruitment of mRNA localization factor on nascent mRNAs in budding yeast

Abstract

Le transport et la localisation des ARN messagers permettent de réguler l’expression spatiale et temporelle de facteurs spécifiques impliqués dans la détermination du destin cellulaire, la plasticité synaptique, la polarité cellulaire et la division asymétrique des cellules. Chez S.cerevisiæ, plus de trente transcrits sont transportés activement vers le bourgeon cellulaire. Parmi ces transcrits, l’ARNm ASH1 (asymetric synthesis of HO) est localisé à l’extrémité du bourgeon pendant l’anaphase. Ce processus va entrainer une localisation asymétrique de la protéine Ash1p, qui sera importée uniquement dans le noyau de la cellule fille, où elle entraine le changement de type sexuel. La localisation asymétrique de l’ARNm ASH1, et donc de Ash1p, implique la présence de différents facteurs de localisation. Parmi ces facteurs, les protéines She (She1p/Myo4p, She2p et She3p) et les répresseurs traductionnels (Puf6p, Loc1p et Khd1p) participent à ce mécanisme. La protéine navette She2p est capable de lier l’ARNm ASH1 et va entrainer le ciblage de cet ARNm vers l’extrémité du bourgeon en recrutant le complexe She3p-Myo4p. Des répresseurs traductionnels régulent la traduction de cet ARNm et évitent l’expression ectopique de la protéine Ash1p pendant son transport. Alors que la fonction cytoplasmique de She2p sur la localisation des ARNm est connue, sa fonction nucléaire est encore inconnue.

Nous avons montré que She2p contient une séquence de localisation nucléaire non classique qui est essentielle à son import nucléaire médié par l’importine α (Srp1p). L’exclusion de She2p du noyau par mutation de son NLS empêche la liaison de Loc1p et Puf6p sur l’ARNm ASH1, entrainant un défaut de localisation de l’ARNm et de la protéine. Pour étudier plus en détail l’assemblage de la machinerie de localisation des ARNm dans le noyau, nous avons utilisé des techniques d’immunoprécipitation de chromatine afin de suivre le recrutement des facteurs de localisation et des répresseurs traductionnels sur les ARNm naissants. Nous avons montré que She2p est recruté sur le gène ASH1 pendant sa transcription, via son interaction avec l’ARNm ASH1 naissant. Puf6p est également recruté sur ASH1, mais d’une manière dépendante de la présence de She2p. De façon intéressante, nous avons détecté une interaction entre She2p et la plus grande sous-unité de l’ARN polymérase II (Rpb1p). Cette interaction est détectée avec la forme active en élongation de l’ARN polymérase II. Nous avons également démontré que She2p interagit avec le complexe d’élongation de la transcription Spt4p/Spt5p. Une délétion de SPT4 ou une mutation dans SPT5 (Ts spt5) à température restrictive empêche l’interaction entre She2p et Rpb1p, et diminue le recrutement de She2p au gène ASH1, entrainant un défaut de localisation de l’ARNm et un défaut de localisation asymétrique de la protéine Ash1p. De manière globale, nos résultats montrent que les facteurs impliqués dans la localisation cytoplasmique des ARNm et dans leur contrôle traductionnel sont recrutés de façon co-transcriptionnelle sur les ARNm naissants via leur interaction avec la machinerie de transcription, suggèrant un rôle important de la machinerie transcriptionelle dans la localisation des ARNm.

Cytoplasmic transport and localization of messenger RNAs allows temporal and spatial expression of specific factors involved in cell fate determination, synaptic plasticity, cellular polarity or asymmetric cell division. In S. cerevisiae, over thirty transcripts are actively transported and localized to the bud tip of budding yeast. One of them, the ASH1 mRNA (for Asymmetric Synthesis of HO), is localized at the bud tip in late anaphase cells. This allows Ash1p, a transcriptional repressor of the HO endonuclease, to be sorted exclusively to the daughter cell nucleus, where it prevents mating type switching. Proper ASH1 mRNA localization and Ash1p asymmetric expression involve localization factors, which are part of the She-proteins (She1p/Myo4p, She2p and She3p), and translational repressors (the proteins Puf6, Loc1 and Khd1). The nucleo-cytoplasmic shuttling protein She2p binds the ASH1 mRNA and targets it for localization at the bud tip by recruiting the She3p-Myo4p complex. Translational repressors regulate the translation of ASH1 mRNA and avoid ectopic expression of the Ash1 protein during the transport of its transcript. While the cytoplasmic role of She2p in mRNA localization is known, its nuclear function is still unclear.

We now show that She2p contains a non-classical nuclear localization signal sequence (NLS) which is essential for its nuclear import via the importin  Srp1p. Exclusion of She2p from the nucleus by mutagenesis of its NLS disrupt the binding of Loc1p and Puf6p to the ASH1 mRNA, leading to defective mRNA localization and Ash1p sorting. To further investigate the assembly of the mRNA localization machinery in the nucleus, we used chromatin immunoprecipitation (ChIP) to follow the recruitment of localization factors and translational repressors on nascent localized mRNAs. We found that She2p is recruited on the ASH1 gene during transcription, via its interaction with the nascent ASH1 mRNA. Puf6p is also recruited on the ASH1 gene, but in a She2p-dependent manner. Interestingly, we detected an interaction between She2p and Rpb1p, the largest subunit of RNA polymerase II in vivo. This interaction is independent of the RNA-binding properties of She2p, and involves the elongating form of the RNA polymerase II. We also found that She2p interacts with both members of the elongation factors Spt4p /Spt5p; Deletion of SPT4 or Ts spt5 mutants at restrictive temperature disrupted the interaction between She2p and Rpb1p, and then reduced the recruitment of She2p on the ASH1 gene, resulting in ASH1 mRNA delocalization and defective Ash1p sorting. Altogether, our results show that factors involved in cytoplasmic mRNA localization and translational control are recruited co-transcriptionally on nascent mRNAs via interation with the transcription machinery, pointing toward a role of the transcription machinery in the mRNA localization process.