Post-translational regulation of CPEB4 in cell cycle

Abstract

[cat] Les CPEBs (cytoplasmic polyadenylation element binding proteins) són una família de proteïnes d’unió a ARNm essencials per a la regulació traduccional d'ARNm en diversos escenaris biològics. Les CPEBs uneixen CPEs en el 3’ UTR (untranslated region) dels l'ARNm diana i regulen la seva traducció mitjançant la poliadenilació citoplasmàtica. Aquest procés és especialment important durant la meiosi, ja que la seva progressió necessita l'activació traduccional d’ARNm materns. La CPEB1 regula la traducció d’un grup d’ARNm durant la primera divisió meiòtica, mentre que la CPEB4 ho fa durant la segona divisió. Les CPEBs comparteixen el domini d'unió a l'ARN i regulen subpoblacions d’ARNm solapants. Per tant, el fet de que es necessitin dues CPEBs durant la meiosi es deu a que es regulen diferent a nivell post-traduccional. De fet, el domini N-terminal de la CPEBs no està conservat i conté diferents motius reguladors. Mentre que la CPEB1 s’activa per Aurora A quinasa i es degrada com a conseqüència de la seva fosforilació per Cdc2 i Plk1, CPEB3 es regula per mono-ubiquitinació i SUMOilació, dues modificacions que controlen la formació d’un agregat beta-amiloide actiu en poliadenilació. Com es regula l’activitat de les altres CPEBs és desconegut. No obstant, determinar com es regulen les CPEBs és crucial per a entendre com responen a diferents estímuls i com estan interconnectades. Aquest estudi demostra que l'activitat de la CPEB4 està regulada per hiper-fosforilació. Específicament, dues quinases fosforilen la CPEB4 en dotze residus localitzats en la regió N-terminal desordenada de la CPEB4. Aquestes fosforilacions són necessàries per a l’activitat de la CPEB4 en poliadenilació citoplasmàtica i són essencials per a la progressió meiòtica. Tanmateix, hem demostrat que la hiper-fosforilació de CPEB4 modula les seves propietats d'agregació. Així, la CPEB4 no fosforilada forma agregats no amiloides que recluten i reprimeixen ARNm diana, mentre que la CPEB4 hiper-fosforilada roman monomèrica i promou la poliadenilació citoplasmàtica d’aquests ARNm. És important destacar que els agregats de CPEB4 són dinàmics i reversibles mitjançant la fosforilació dels aminoàcids identificats. Aquests resultats contribueixen a la comprensió de com es regulen les CPEBs i com respondrien diferencialment en un entorn cel·lular determinat.

[eng] Cytoplasmic polyadenylation element binding proteins (CPEBs) are a family of RNA-binding proteins essential for the translational regulation of mRNAs in various biological contexts. CPEBs recognize CPE elements in the 3’ untranslated region of target mRNAs and regulate their translational fate through cytoplasmic polyadenylation. This process is especially important during meiosis, since its progression relies on the translational activation of stored maternal mRNAs. CPEB1 and CPEB4 are the two members of the family required for meiotic progression. While CPEB1 mediates the translational activation of mRNAs until metaphase I (MI), CPEB4 activates mRNAs from interkinesis to metaphase II (MII). CPEBs share a conserved RNA-binding domain and regulate overlapping mRNA subpopulations. Hence, the requirement of two distinct CPEBs to complete meiosis leans on their differential post-translational regulation. In fact, the N-terminal domain of the CPEBs is highly variable and harbours different regulatory motifs. While CPEB1 is activated by Aurora A kinase and is targeted for degradation by Cdc2 and Plk1-mediated phosphorylation, CPEB3 is controlled by monoubiquitination and SUMOylation, which regulate the transition from an inactive monomeric CPEB3 form to an active beta-amyloid-like aggregate. How the other CPEBs are post-translationally regulated is unknown. Nevertheless, unveiling how the different CPEBs are differentially regulated is crucial for understanding how they respond to different stimuli and how they are interconnected in particular scenarios of co-existence. We found that CPEB4 activity is regulated by hyperphosphorylation during the meiotic cell cycle. Specifically, CPEB4 is phosphorylated in twelve residues by two different kinases and in a phase-specific manner. All phosphorylated residues are located in the intrinsically disordered N-terminal half of CPEB4 and are required for cytoplasmic polyadenylation of target mRNAs. Accordingly, these twelve phosphorylation sites are essential for meiotic progression. Furthermore, we have shown that hyperphosphorylation of CPEB4 disordered domain modulates its aggregation properties. Hence, non-phosphorylated CPEB4 forms non-amyloid aggregates that specifically recruit and repress CPE-containing mRNAs, whereas hyperphosphorylated CPEB4 remains monomeric and is active in cytoplasmic polyadenylation. Importantly, CPEB4 aggregates are dynamic and reversible upon phosphorylation on the identified phosphosites. These results contribute greatly to the understanding of how the CPEBs are differentially regulated and how they would differentially respond in a given cellular environment.