Non-canonical poly(A)polymerase PQN-44 as a novel regulator of innate immunity in Caenorhabditis elegans

W komórkach eukariotycznych znakomita większość końców 3’ cząsteczek mRNA dojrzewa przez poliadenylację, czyli dodawanie ogona poli(A) dzięki aktywności kanonicznych polimeraz poli(A). Te funkcje ogona poli(A) sprawiają, że jego długość bezpośrednio wpływa na poziom ekspresji genu przez co musi być dynamicznie regulowana w trakcie istnienia transkryptu. Podstawową rolę w tym procesie pełnią niekanoniczne nukleotydylotransferazy dodających reszty adeninowe (ncPAP) lub urydylowe (TUTase). Enzymy te, choć należące do jednej nadrodziny, są funkcjonalnie zróżnicowane i pełnią wyspecjalizowane, często przeciwstawne funkcje takie jak kierowanie RNA do degradacji, aktywacja translacji czy stabilizacja mRNA. Niekanoniczne polimerazy są znane u wielu gatunków, gdzie regulują ważne procesy na poziomie post-transkrypcyjnym. Moja praca opisuje rolę nowej niekanonicznej polimerazy poli(A) PQN-44 w nieswoistej odpowiedzi immunologicznej u Caenorhabditis elegans. Nieswoista odpowiedź immunologiczna jest ewolucyjnie starym mechanizmem, który zapewnia pierwszą, niespecyficzną linię obrony przeciwko zróżnicowanym patogenom. Post-transkrypcyjne ścieżki regulujące te procesy są już częściowo poznane jednak moja praca po raz pierwszy wskazuje na istotną rolę niekanonicznej polimerazy poli(A) w odpowiedzi immunologicznej. Globalna analiza transkryptomiczna nicieni pozbawionych genu pqn-44 wykazała obniżenie ekspresji licznych mRNA kodujących wydzielane poza komórkę białka o znanej lub przypuszczanej funkcji antybakteryjnej. Zgodnie z tą obserwacją, nicienie te wykazują silniejszą wrażliwość na patogenne bakterie niż nicienie typu dzikiego. Co więcej, białko PQN-44 jest wyrażane głównie w jelicie, które stanowi u nicieni główny rejon interakcji z potencjalnymi patogenami. Na poziomie molekularnym, transkrypty, których poziom ulega obniżeniu w mutancie pqn-44, mają krótsze ogony poli(A) w porównaniu do nicieni typu dzikiego, co sugeruje, że stanowią bezpośrednie cele dla aktywności katalitycznej białka PQN-44. Moja praca wskazuje na przypuszczalną rolę białka PQN-44 w regulacji stabilności i ekspresji tych mRNA, jednakże nie znany jest jeszcze mechanizm, dzięki któremu białko PQN-44 odnajduje swoje substraty. Podsumowując, moje wyniki wskazują na cytoplazmatyczną poliadenylację mRNA kodujących białka efektorowe nieswoistej odpowiedzi immunologicznej jako wcześniej nieznany i kluczowy element regulacji procesów odpornościowych u nicieni.

In eukaryotes, almost all mRNA molecules are polyadenylated by the canonical poly(A) polymerases during the 3’ end formation step of mRNA maturation. The poly(A) tail is essential for mRNA stability, export to the cytoplasm, and translation. The dynamic of the poly(A) tail length is complex, as poly(A) tails can be further modified by the non-canonical poly(A) polymerases (ncPAPs) and terminal uridylyltransferases (TUTases). Although these enzymes belong to one superfamily, they are functionally diverse and play specific regulatory roles, such as induction of RNA decay, activation of translationally dormant deadenylated mRNAs, or promotion of RNA stability. ncPAPs are implicated in post-transcriptional regulation of several physiological processes across different species. This study describes Caenorhabditis elegans protein PQN-44 as a novel non-canonical poly(A) polymerase with a role in the innate immune response. Innate immunity is an evolutionally ancient system that provides the first line of non-specific host protection against pathogens. The regulation of innate immunity on the post-transcriptional level is well-appreciated, however, the particular role of non-canonical polyadenylation in this process has never been described. The whole transcriptome analysis of worms lacking pqn-44 gene revealed a significant downregulation of many transcripts encoding secreted proteins with a known or putative role in antibacterial defence. In agreement with this molecular phenotype, pqn-44-defective worms are more susceptible to infection with pathogenic bacteria than wild-type animals. Moreover, PQN-44 is localised in the intestine, which in worms serves as one of the major surfaces of host-pathogen interaction. Importantly, transcripts downregulated in pqn-44 mutant worms also carry shorter poly(A) tails in comparison to the wild type, strongly suggesting that they are direct targets for PQN-44 polyadenylation. We propose that PQN-44 regulates stability and promotes the expression of these mRNAs. However, the mechanism of target RNA recognition employed by PQN-44 is currently unknown. Taken together, our data show that cytoplasmic polyadenylation of mRNA encoding innate immunity effector proteins by PQN-44 is a previously unknown and essential component of the post-transcriptional regulation of innate immunity in worms.