Regulation of translation after exposure to stress

Proteiner er en divers gruppe molekyler som utfører mange nødvendinge funksjoner i cellene og er en av de grunnleggende bestandelene for liv. Proteiner er sammensatt av små byggesteiner som kalles aminosyrer, og oppskriften på hvordan et protein skal bygges opp ligger i genene våre(DNA). Det er en komplisert byggeprosess i flere trinn, der hvert trinn er nøye regulert. Det siste trinnet i denne prosessen, hvor selve proteinet dannes, kalles translasjon. Det er ikke slik at alle proteiner uttrykkes til enhver tid. Hva slags proteiner som dannes og når, er avhengig av mange ulike faktorer. For at cellene skal fungere, er det viktig at proteinsyntesen er nøye regulert og at de rette proteinene er til stede til rett tid. Når cellene utsettes for stress, for eksempel UV-stråling som kan skade molekyler i cellen, produseres proteiner som er speisaltilpasset for å håndtere den utfordrende situasjonen cellene møter. Mye av denne reguleringen foregår på translasjonsnivå og gjør at cellene i stor grad er tilpasningsdyktige til miljøet rundt seg. Feilregulering av translasjon kan derimot ha store negative konsekvenser. Dette kan gi seg utslag i en lang rekke sykdommer, blant annet kreft og ulike neurologiske sykdommer slik som Alzheimer. For å kunne gi pasienter som er rammet av slike sykdommer den best mulige behandlingen, trengs det innsikt i nøyaktig hva som går galt under disse sykdomstilfellene. I dette prosjektet studerer vi mekanismer som regulerer translasjon. Vi har bevis for at en (til nå) ukjent mekanisme nedregulerer translasjon etter stress. Målet vårt er å kartlegge denne mekanismen og studere i detalj de forandringene som skjer i cellene på molekylært nivå, både før og etter stress. Den ukjente mekanismen virker kjemperaskt, som er mest sannsynlig mulig gjennom en plutselig forandring i en regulator; enten mengde protein eller kanskje en modifikasjon på proteinet. Basert på denne tankegangen har vi utført en massespektrometri-analyse, som kan måle mengde protein i cellene. Resultatene fra analysen viser at når cellene utsettes for stress skjer det en dramatisk endring i proteinene som regulerer cytoskjelettet. I tillegg, nedreguleringen av translasjon etter stress kan forhindres ved å manipulere reorganiseringen av cytoskjelettet. Disse resultatene fremmer hypotesen om at det er en regulatorisk kobling mellom translasjonsregulering og cytoskjelettet etter stress.

Our findings will have a deep impact both on the translation field and on the cytoskeleton field in the academic community. An intact cytoskeleton has been known to be important for translation, supported by a number of studies showing that depolymerizing the actin cytoskeleton diminishes translation in several model systems. However, it was thought that the cytoskeleton simply serves as a scaffold. Our results strongly suggest that reorganization of the actin cytoskeleton is at least part of the mechanism that downregulates translation in response to stress. Several drugs that are affecting the cytoskeleton are in clinical use today without any knowledge and consideration of how they may affect translation. Our findings highlight the importance of the link between translation and cytoskeleton, and might lead to better treatment strategies in the long run.

The functionality and viability of cells are absolutely dependent upon their gene expression pattern. Gene expression involves a series of complex processes, culminating in translation. When encountering environmental stress all types of cells respond by alterations in the gene expression pattern, partly at the levels of transcription, but mostly at the translational level, which leads to rapid changes in the repertoire of proteins produced. Expression or activity of translation factors is altered in a number of cancers. In addition, there are numerous reports that defective regulation of translation results in neurological problems in humans. Therefore understanding the molecular details of the novel mechanism is highly relevant for knowledge-based therapy of these diseases. In this project we wish to investigate fundamental aspects of the regulation of translation. We have shown that after exposure to ultraviolet light or oxidative stress a novel mechanism dramatically reduces general translation levels. We have demonstrated the existence of this mechanism in fission and budding yeasts as well as in human cells, suggesting that it is was conserved during evolution. The aim of the current project is to understand the molecular details of the novel mechanism. We shall first investigate which stage of translation is regulated by the novel mechanism. This will give us clues as to the mechanism. The translational response to stress is very rapid, leading us to speculate that it involves protein modifications. We shall employ a broad approach to identify all molecular changes that occur in the cell shortly after UV-irradiation. This will most likely reveal the signature molecular changes and modifications involved in the novel mechanism, in addition to a number of other changes. Finally, we shall investigate the consequences of the novel mechanism on cell-cycle progression and survival employing appropriate fission yeast mutants.