New functions for an archaeal translation factor

The characterization of the process of protein synthesis in the three primary domains of life is an interesting challenge which entails, among other things, a full understanding of the function of translation factors. The archaeal translational apparatus, shares several characteristics with the eukaryal counterparts, therefore the study of the process of translation in Archaea could help to clarify several aspects which have been conserved during the evolution. The structural and functional study of translation factors (with high homology between Archaea and Eukarya) is important to determine not only their role in protein synthesis but also to highlight their possible involvement in physiological and pathological cellular processes. This PhD project is aimed at the elucidation of the functions of S. solfataricus translation factor aIF5A, whose involvement in protein synthesis has remained elusive. This factor is highly conserved in Eukarya and Archaea while an orthologue has been found in bacteria (EF-P). The eukaryotic factor contains the unique modified amino acid, hypusine, formed by the post-translational modification of a lysine, a reaction carried out by two different enzymes, the deoxyhypusine synthase (DHS) and the deoxyhypusine hydroxylase (DOHH); the bacterial protein EF-P undergoes a different post-translational modification called β-lysylation. In a model assay for the first peptide bond formation eIF5A/EF-P were identified as initiation factors, but subsequent studies have highlighted their implication in translation elongation, translation termination, binding to RNA molecules and cell proliferation. We identified the post-translational modification of Sulfolobus solfataricus aIF5A, showing that the protein is fully hypusinated and bound to translating ribosomes. Moreover the structural and functional analysis of the deoxyhypusine synthase allowed us to conclude that this unique post-translational modification pathway is evolutionarily conserved in archaea and eukaryotes. From the identification of protein interacting partners, in particular the discovery of an interesting association with the translation recovery factor (Trf) and the characterization of aIF5A ribonucleolytic activity arise unreleased features of this factor in Sulfolobus solfataricus. For the first time we provide new hints of a probable involvement of aIF5A in the RNA stability/turnover process, a finding which paves the way for further investigations

La caratterizzazione del processo di sintesi proteica nei tre domini del mondo dei viventi è una sfida di importanza fondamentale che comporta, tra i vari aspetti, una piena comprensione della funzione dei fattori di traduzione. L'apparato traduzionale archeo condivide diverse caratteristiche con la controparte eucariota, pertanto lo studio del processo di traduzione negli Archaea potrebbe aiutare a chiarire aspetti evolutivamente conservati. L’analisi strutturale e funzionale dei fattori di traduzione (con elevata omologia tra Archea ed Eucarioti) è fondamentale per determinare non solo il loro ruolo nella sintesi proteica, ma anche per evidenziare un possibile coinvolgimento in processi cellulari fisiologici e patologici. Questo progetto di dottorato è finalizzato allo studio del fattore di traduzione aIF5A, il cui coinvolgimento nella sintesi proteica risulta ancora oggi elusivo, utilizzando come organismo modello un archeo ipertermofilo Sulfolobus solfataricus. Tale fattore è altamente conservato fra Eucarioti e Archea, inoltre anche l’ortologo batterico (EF-P) è stato caratterizzato. Il fattore eIF5A è l’unica proteina soggetta ad una peculiare modifica post-traduzionale, l’ipusinazione, catalizzata da due diversi enzimi, la deossiipusina sintetasi (DHS) e la deossiipusina idrossilasi (DOHH); la proteina batterica EF-P subisce invece una diversa modifica post-traduzionale chiamata β-lisilazione. Attraverso un modello sperimentale che permette di studiare la formazione del primo legame peptidico, eIF5A / EF-P sono stati identificati come fattori di inizio, ma studi successivi hanno evidenziato un loro coinvolgimento anche nella fase di allungamento, terminazione della traduzione, l’associazione a molecole di RNA e infine l’implicazione in processi di proliferazione cellulare. In questo studio abbiamo identificato la modifica post-traduzionale di aIF5A in Sulfolobus solfataricus, dimostrando che la proteina è completamente ipusinata e, in questa forma, associata alle subunità ribosomiali durante la sintesi proteica. Inoltre, l'analisi strutturale e funzionale della deossiipusina sintasi ha evidenziato come tale processo di modificazione post-traduzionale risulti evolutivamente conservato fra Archea ed Eucarioti. Dall'individuazione dei partner di interazione proteici, in particolare la scoperta di un'interessante associazione con il fattore di recupero della traduzione (Trf) e dalla caratterizzazione dell'attività ribonucleolitica di aIF5A, sono emerse caratteristiche del tutto inedite di questo fattore, in Sulfolobus solfataricus. Le nostre evidenze sperimentali rivelano per la prima volta un probabile coinvolgimento di aIF5A nel processo di stabilità / turnover dell'RNA, aprendo la strada ad ulteriori indagini.