Identification of circular RNA-induced nonsense-mediated mRNA decay and molecular mechanism of circular RNA translation

국문 초록 (Abstract)

유전자 발현 조절에 있어서 전사체 수준의 안정성 조절과 단백질 합성 과정은 매우 중요한 단계이다. 이 두 과정에 의해 mRNA의 수명과 기능이 결정되고, 결과적으로 세포 내의 단백질의 양이 조절된다. 유전자 발현 과정의 최종 산물인 단백질은 번역 개시 과정에 의해 합성이 유도되며, 번역 개시 과정은 mRNA의 5′ 캡 구조를 리보솜이 인식함으로써 시작된다. 원형 RNA는 백스플라이싱 (back-splicing)를 통해 생성되고, 이는 DNA에서 RNA 합성 중에 일어나는 일반적인 스플라이싱과는 다른 과정이다. 따라서 원형 RNA는 5′ 캡 구조를 가지지 않는 것이 특징이며, 이로 인해 캡 의존적 번역 개시 과정이 유도될 수 없다. 최근 연구 보고에 따르면 세포 내에서 번역이 가능한 원형 RNA의 존재가 보고된 바 있고, 이러한 원형 RNA의 번역 메커니즘에 대한 관심이 증가되고 있다. 하지만 원형 RNA의 내부 번역 개시를 조절하는 분자적 기전은 명확히 알려진 바 없다. 본 연구는 두 엑손-엑손 접합 부위에서 형성되는 엑손 접합 복합체 (EJC)에 의해 리보솜을 포함한 단백질 번역 개시 인자들이 표적 RNA에 위치함을 밝혔다. 이로 인해 단백질 번역 개시가 유도됨을 보여줌으로써 내부 번역 개시 메커니즘을 규명하였다. 또한, 본 메커니즘이 원형 RNA에 적용됨을 증명함으로써 원형 RNA의 내부 번역 기전을 새롭게 입증하였다.
또한, 유전자 발현은 비정상적 단백질이 생성되지 않도록 엄격한 양적 혹은 질적 조절을 통해 이루어진다. 그 대표적인 mRNA 품질 관리 기전은 난센스 매개 mRNA 분해 (nonsense-mediated mRNA decay; NMD) 과정이다. NMD는 정지 코돈 하류에 위치한 엑손 접합 복합체를 인식함으로써 시작되며, 그로 인해 UPF1을 포함한 분해 인자들이 결합한다. 이 과정은 일반적으로 캡 결합 복합체 (CBC)에 의해 매개되는 번역 개시 단계에서 발생된다고 보고되어 있지만, 최근 연구에서는 NMD과정이 진핵 생물 번역 개시 인자 4E (eIF4E)를 매개로 하는 번역 단계와의 연관성이 있음이 보고된 바 있다. 그러나 eIF4E에 의한 번역 단계에서 발생되는 NMD의 특성에 대한 연구 보고는 부족한 상황이다. 본 연구에서는 소포체 (ER)를 표적하는 신호 펩타이드를 암호화하는 mRNA의 품질 관리 기전을 연구하였다. mRNA가 ER에 올바르게 도달할 때까지 유전자 발현이 억제되는 독특한 감시 메커니즘을 확인함과 동시에 ER로 도달한 후에 그 mRNA 품질 관리 기전이 유도됨을 밝혔다. 추가적으로, 본 연구에서는 RNA 결합 단백질 또는 다른 RNA와의 결합을 통한 RNA 안정성 조절 메커니즘을 연구하였다. mRNA 결합 단백질을 통해 mRNA의 안정성이 조절되는 메커니즘 중 하나인 글루코르티코이드 수용체 매개 mRNA 분해 (glucocorticoid receptor-mediated mRNA decay; GMD) 과정을 전사체 수준에서 분석함으로써, 다양한 종류의 표적 전사체를 밝혔다. 또 다른 연구로는, RNA-RNA 결합에 의한 mRNA의 안정성 조절에 대한 연구를 통해 원형 RNA가 mRNA에 결합함으로써 mRNA의 NMD 메커니즘이 유도된다는 독특한 현상을 규명하였다. 요약하자면, 본 연구는 원형 RNA의 번역 개시 메커니즘을 새롭게 제시하고, mRNA 안정성 조절에 대한 다양한 분자생물학적 메커니즘을 밝힘으로써 유전자 발현 조절에 대한 통찰력을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the regulation of gene expression, transcript stability and the process of protein synthesis are critical stages. These two processes determine the lifespan and functionality of mRNA, ultimately modulating the levels of proteins within the cell. The final product of gene expression, protein, is synthesized through translation initiation, which is triggered by the recognition of the mRNA 5′ cap structure by the ribosome. Circular RNA (circRNA) is generated through back-splicing, a process distinct from the typical splicing that occurs during the synthesis of RNA from DNA. Therefore, circular RNA lacks a 5′ cap structure and cannot induce protein expression via cap-dependent translation initiation. Recent studies have reported the presence of circular RNAs capable of translation within cells, and there is increasing focus on the translation mechanisms of these circular RNAs, which differ from those of conventional mRNAs. However, the molecular mechanisms underlying internal translation initiation of circular RNA are not well understood. This study elucidated the internal translation initiation mechanism by demonstrating that the exon junction complex (EJC), formed at two exon-exon junctions, recruit ribosomes to induce protein initiation. Additionally, it revealed that this mechanism applies to circular RNA, contributing to the understanding of the translation process of circular RNA.
Furthermore, gene expression occurs through stringent qualitative and quantitative regulation to prevent the production of abnormal proteins. One such representative mRNA quality control mechanism is nonsense-mediated mRNA decay (NMD). NMD is initiated by recognizing the EJC located downstream of the stop codon, leading to the binding of decay factors, including up-frameshift protein 1 (UPF1). This process typically occurs during the translation initiation stage mediated by the cap-binding complex (CBC). On the other hand, recent researches have reported a connection between the NMD and the translation stage mediated by eukaryotic translation initiation factor 4E (eIF4E). However, the characteristics of NMD occurring during the translation stage mediated by eIF4E are unclear. This study explored the quality control pathways of mRNAs encoding signal peptides destined for the endoplasmic reticulum (ER). It revealed a distinct surveillance mechanism in which gene expression is suppressed until the mRNA correctly reaches the ER, and mRNA quality control is induced once it arrives at the ER. Additionally, this study analyzed the mechanisms by which RNA stability is regulated through the binding of RNA-binding proteins or other RNAs. By performing a transcriptome-wide analysis of glucocorticoid receptor-mediated mRNA decay (GMD), a mechanism through which mRNA is regulated by RNA-binding proteins, various classes of target transcripts were identified. Another one focused on the regulation of mRNA stability through RNA-RNA interactions. This study revealed the unique finding that the NMD mechanism of mRNA is induced when circRNA binds to mRNA. In summary, this study provides insights into gene expression regulation by examining the translation initiation mechanisms of circular RNA and the molecular pathways that control mRNA stability.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT i
• 국문 초록 iii
• TABLE OF CONTENTS vi
• ABBREVIATIONS vii
• OVERVIEW x
• CHAPTER 1. An interaction between eIF4A3 and eIF3g drives the internal initiation of translation 1
• CHAPTER 2. Nonsense-mediated mRNA decay of mRNAs encoding a signal peptide occurs primarily after mRNA targeting to the endoplasmic reticulum 39
• CHAPTER 3. Transcriptome-wide analysis for glucocorticoid receptor-mediated mRNA decay reveals various classes of target transcripts 53
• CHAPTER 4. Circular RNAs trigger nonsense-mediated mRNA decay 76
• REFERENCES 114