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Authors: Rodrigues, Ricardo José Cordeiro Machado
Title: Searching and characterizing novel 21U RNA biogenesis factors in Caenorhabditis elegans
Online publication date: 11-Sep-2019
Language: english
Abstract: Germ cells are responsible for the transmission of genetic information across generations. Hence, genomic instability in these cells can come at the cost of individual fertility and the fitness of a species. In animals, the RNAi-like Piwi-pathway has evolved to counteract the activity of one of the biggest threats to genome stability, Transposable Elements (TEs). In this pathway, Piwi-clade argonaute proteins use Piwi-Interacting RNAs (piRNAs) to recognize and induce the silencing of genome parasites such as TEs. The piRNAs of Caenorhabditis elegans are known as 21U RNAs. This organism has the astonishing repertoire of around 30,000 different 21U RNAs, which are loaded into the C. elegans Piwi argonaute PRG-1. This argonaute uses these 21 nucleotide long small RNAs to recognize and induce the silencing of genomic parasites. Recognition by PRG-1 induces silencing and initiates an epigenetic silencing memory that can be parentally perpetuated for an indefinite number of generations. This extraordinarily effective silencing is supported by both transcript and chromatin silencing. The 21U RNAs are transcribed as precursors by RNA Polymerase II. These contain a 5’end Cap and flanking sequences that need to be removed before PRG-1 loading. The process by which this maturation is achieved is largely unknown, as is the molecular machinery involved. In this work, I search and find novel machinery required for 21U RNA processing. I started by focusing on the 21U RNA biogenesis factor PID-1 (piRNA-induced silencing defective 1). I found that this protein is part of a larger, novel protein complex, I named PETISCO (PID-3, ERH-2, TOFU-6 and IFE-3 Small RNA COmplex), that is also required for 21U RNA biogenesis. This complex binds the 5’ Caps of 21U RNA precursors via IFE-3, a eIF4E-family protein, typically required for mRNA translation in other organisms. Not only did I resolve the architecture of PETISCO, I also found that this complex is required for a second function, essential for embryonic development. This function is guided by the protein TOST-1 (Twenty One u AntagoniST 1), which I propose binds PETISCO interchangeably with PID-1. Together these two proteins independently guide the two functions of PETISCO: 21U RNA biogenesis and embryonic viability. Finally, I propose that the embryonic requirement of PETISCO is connected to Splice Leader snRNA and core histone mRNA regulation and discuss how this relation may have evolved.
Keimzellen sind für die Weitergabe genetischer Informationen über Generationen hinweg verantwortlich. Daher kann die genomische Instabilität dieser Zellen die individuelle Fertilität und die Fitness einer Art beeinträchtigen. Bei Tieren hat sich der RNAi-ähnliche Piwi-Signalweg entwickelt, um der Aktivität mobiler genetischer Elemente (Transposable Elements, TEs), einer der größten Bedrohungen für die Genomstabilität, entgegenzuwirken. In diesem Signalweg verwenden Argonautenproteine, Proteine aus der Gruppe der Piwi-Proteine, Piwi-interagierende RNAs (piRNAs), um genomische Parasiten wie TEs zu erkennen und deren Stummschaltung zu induzieren. Die piRNAs von Caenorhabditis elegans sind als 21U RNAs bekannt. Dieser Organismus hat das erstaunliche Repertoire von rund 30,000 verschiedenen 21U RNAs, die auf das C. elegans Piwi-Argonautenprotein PRG-1 beladen werden. Dieses Argonautenprotein verwendet die 21 Nucleotide langen, kleinen RNAs, um genomische Parasiten zu erkennen und deren Stummschaltung zu induzieren. Die Erkennung durch PRG-1 induziert die Stummschaltung und initiiert ein epigenetisches Gedächtnis, das für eine unbestimmte Anzahl von Generationen elterlich aufrechterhalten werden kann. Diese außerordentlich wirksame Stummschaltung wird sowohl auf der Transkriptions- als auch auf der Chromatinebene unterstützt. Die 21U-RNAs werden von der RNA-Polymerase II als Vorläufer transkribiert. Diese enthalten eine 5’-Ende-Kappe und flankierende Sequenzen, die vor dem Laden von PRG-1 entfernt werden müssen. Der Prozess, durch den diese Reifung erreicht wird, ist weitgehend unbekannt, ebenso wie die beteiligten molekularen Maschinerien. In dieser Arbeit suche und finde ich neuartige Maschinerien, die für die 21U-RNA-Prozessierung erforderlich sind. Ich konzentrierte mich zunächst auf den 21U-RNA-Biogenesefaktor PID-1 (piRNA-induced silencing defective 1). Ich entdeckte, dass dieses Protein Teil eines größeren, neuartigen Proteinkomplexes ist, den ich PETISCO (PID-3, ERH-2, TOFU-6 und IFE-3 Small RNA COmplex) nannte, und welcher auch für die 21U-RNA-Biogenese erforderlich ist. Dieser Komplex bindet die 5'-Kappen von 21U-RNA-Vorläufern über IFE-3, ein Protein der eIF4E-Familie, das typischerweise für die mRNA-Translation in anderen Organismen benötigt wird. Ich habe nicht nur die Architektur von PETISCO aufgelöst, sondern auch festgestellt, dass dieser Komplex für eine zweite Funktion erforderlich ist, die für die Embryonalentwicklung unerlässlich ist. Diese Funktion wird durch das Protein TOST-1 (Twenty One u AntagoniST 1) gesteuert. Diesbezüglich schlage ich ein Modell vor, in dem TOST-1 PETISCO austauschbar mit PID-1 bindet. Zusammen steuern diese beiden Proteine unabhängig voneinander die beiden Funktionen von PETISCO: 21U RNA-Biogenese und embryonale Lebensfähigkeit. Schließlich stelle ich zur Diskussion, dass der embryonale Bedarf von PETISCO mit der Splice Leader snRNA- und Core- 14 Histon-mRNA-Regulation zusammenhängen könnte und erörtere, wie sich diese Beziehung möglicherweise entwickelt hat.
DDC: 570 Biowissenschaften
570 Life sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: Externe Einrichtungen
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-3754
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 151 Seiten
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