Study on the role of poly(A)-specific ribonuclease in microRNA 3′ end formation

Abstract

The 3′ ends of metazoan microRNAs (miRNAs) are initially defined by the RNase III enzymes during maturation, but subsequently experience extensive modifications by several enzymatic activities. For example, terminal nucleotidyltransferases (TENTs) elongate miRNAs by adding one or a few nucleotides to their 3′ ends, which occasionally leads to differential regulation of miRNA stability or function. However, the catalytic entities that shorten miRNAs and the molecular consequences of such shortening are less well understood, especially in vertebrates. Here, I report that poly(A)-specific ribonuclease (PARN) sculpts the 3′ ends of miRNAs in human cells. By generating PARN knockout cells and characterizing their miRNAome, I demonstrate that PARN digests the 3′ extensions of miRNAs that are either derived from the genome or attached by TENTs, thereby effectively reducing the length of miRNAs. Surprisingly, PARN-mediated shortening has little impact on miRNA stability, suggesting that this process likely operates to finalize miRNA maturation, rather than to initiate miRNA decay. PARN-mediated shortening is pervasive across most miRNAs and appears to be a conserved mechanism contributing to the 3′ end formation of vertebrate miRNAs. My findings add miRNAs to the expanding list of non-coding RNAs whose 3′ end formation depends on PARN.

마이크로RNA는 약 22개의 뉴클레오타이드로 이루어진 짧은 비암호화 RNA의 일종으로, 세포 내에서 유전자 발현을 억제하는 방식으로 조절자의 기능을 수행한다. 차세대 염기서열 분석 기술의 발달에 힘입어 한 종류의 마이크로RNA가 실제 세포 내에서는 말단 부위 서열이나 내부 서열이 약간씩 다른 일련의 동형체로 존재하고 있다는 사실이 알려져 왔다. 그러한 변형 중에서 가장 빈번하게 일어나는 것은 3′ 말단 부근의 변형이다. 예를 들어 말단뉴클레오타이드전달효소라 불리는 일련의 효소들은 마이크로RNA의 3′ 말단에 몇 개의 뉴클레오타이드를 첨가하는데, 이러한 꼬리가 때로는 마이크로RNA의 안정성이나 기능을 조절하기도 한다. 말단뉴클레오타이드전달효소에 의한 마이크로RNA의 길이 연장은 여러 전사체 수준에서의 연구에 의해 그 효소학이 잘 정립된 편인 반면, 마이크로RNA의 길이를 줄이는 효소 활성에 대해서는 알려진 바가 많지 않다. 본 연구에서 나는 Poly(A)-specific ribonuclease (PARN) 라 불리는 RNA말단분해효소가 인간 세포에서 마이크로RNA의 3′ 말단을 조각한다는 사실을 보고하였다. PARN이 결핍된 세포를 제작하고 그 세포의 마이크로RNA들을 차세대 염기서열 분석법을 통해 조사한 결과, 나는 PARN이 유전체에서 유래하였거나 또는 말단뉴클레오타이드전달효소에 의해 부착된 마이크로RNA의 3′ 말단 연장을 제거하고, 결과적으로 마이크로RNA의 길이를 줄인다는 사실을 발견하였다. 놀랍게도 PARN에 의한 마이크로RNA의 길이 감소는 마이크로RNA의 안정성을 크게 변화시키지 않았고, 따라서 이러한 과정은 마이크로RNA 분해 경로에서 작동한다기보다는 마이크로RNA 성숙을 완료하는 역할을 하는 것으로 생각된다. PARN에 의한 마이크로RNA의 길이 감소는 대부분의 마이크로RNA에서 폭넓게 일어나며, 척추동물 전반에서 마이크로RNA의 3′ 말단 형성에 기여하는 보존된 메커니즘으로 보여진다. 결과적으로 본 연구는 마이크로RNA 생합성 및 3′ 말단 형성에 대한 이해를 한층 확장하였으며, 최근 들어 급속도로 늘어나고 있는 PARN의 비암호화 RNA 기질 목록에 마이크로RNA를 추가하였다.