Authors:	Gebert, Daniel
Title:	Elucidating evolutionary patterns of PIWI/piRNA-mediated transposon and gene regulation
Online publication date:	30-Apr-2019
Year of first publication:	2019
Language:	english
Abstract:	Kleine, nicht-kodierende RNAs (small non-coding RNAs; sRNAs oder sncRNAs) finden sich in allen Domänen der Lebewesen wieder, wo sie eine Vielzahl an Aufgaben wie etwa in der Genregulation, der Transposonrepression und der Virusabwehr übernehmen. Dabei sind sRNAs, wie z.B. microRNAs (miRNAs), small-interfering RNAs (siRNAs) und Piwi-interacting RNAs (piRNAs), grundsätzlich auf Argonautenproteine angewiesen. Als Teil größerer Proteinkomplexe werden Argonauten von der jeweiligen gebundenen sRNA, basierend auf Sequenzkomplementarität, zu ihren Zielnukleinsäuren geführt. Neben dieser grundlegenden Gemeinsamkeit brachte die Evolution ein breites Spektrum an Adaptationen in vielen sRNA-Systemen diverser Entwicklungslinien hervor. Die weitestgehend tierspezifische Klasse der piRNAs, die mit der Argonauten-Untergruppe PIWI assoziiert, umfasst ein System, das durch eine besonders große evolutionäre Plastizität gekennzeichnet ist. piRNAs sind vorwiegend dafür zuständig, die Genomintegrität in der Keimbahn gegen Transposable Elemente (TEs) zu schützen, die in Urkeimzellen von Tieren während der epigenetischen Reprogrammierung reaktiviert werden. Folglich charakterisiert sich das PIWI/piRNA-System als Teil eines fortlaufenden Wettrüstungsprozesses gegen TEs und deren Bestreben, sich zu vermehren und über die Keimbahn des Wirtes in die nächste Generation weitergegeben zu werden. Die vorliegende Dissertation setzt sich zum Ziel, die allgemeine sRNA-Forschung bioinformatisch zu unterstützen und bisher unbeantwortete Fragestellungen bezüglich des PIWI/piRNA-Systems mit einer komparativen Strategie zu bearbeiten. Nach einer Zusammenfassung des aktuellen Wissensstands über sRNA-basierte TE-Repression in Eukaryoten folgt die Vorstellung des neuentwickelten Programms unitas. Dieses Programm ermöglicht, ausgehend von sRNA-Sequenzierungsdaten, die Annotation einer Vielfalt an sRNAs, darunter miRNAs und deren Isoformen, piRNAs, Phased-siRNAs (phasiRNAs) und tRNA-Fragmente (tRFs) in einer großen Auswahl von Spezies. Die zugrundeliegende Studie des nächsten Kapitels beschreibt die Aktivität des PIWI/piRNA-Systems in somatischen Geweben von Mollusken. Dabei zeigen sich klare Hinweise auf post-transkriptionelle TE-Repression durch piRNAs sowie Zeichen der Anpassung an die Bekämpfung junger Transposons. Daneben beschreibt die Studie ein dynamisches Expressionsmuster von piRNA-produzierenden genomischen Loci während der Auster-Entwicklung, wobei bestimmte Gruppen von Loci als Quelle für piRNAs gegen verschiedene Transposon-Familien dienen. Diese und weitere kürzlich gemachte Entdeckungen verdeutlichen, dass die weitestgehende Keimbahn-Spezifität des PIWI/piRNA-Systems in Wirbeltieren wahrscheinlich eine in der Evolution der Tiere deutlich später erfolgte Anpassung darstellt als zunächst angenommen. Im nächsten Kapitel wird, ausgehend von einer umfassenden Analyse des piRNA-Transkriptoms aus adulten Testes des Schweins, die post-transkriptionelle Prozessierung von Protein-kodierenden Genen innerhalb eines piRNA-spezifischen Amplifikationsmechanismus, dem sogenannten Ping-Pong-Zyklus, beschrieben. Darüberhinaus wird gezeigt, dass piRNA-Cluster, welche große genomische Bereiche darstellen, die die Mehrzahl an piRNAs in adulten Testes produzieren, Sequenzen von Genen und Pseudogenen beinhalten. Diese sind mögliche Vorlagen für gegensträngige piRNAs, die Zielsequenzen in entsprechenden Elterngenen angreifen können. Schließlich beleuchtet der letzte Teil der Dissertation die Evolution von piRNA-Clustern und den darin vorkommenden Pseudogenen in Primaten sowie die Fähigkeit dieser Loci, Protein-kodierende Gene zu regulieren. Da solche piRNA-Cluster jedoch schnell evolvieren und genregulatorische Potentiale zwischen unterschiedlichen Spezies schwach konserviert sind, scheint es entgegen der Erwartung eher zweifelhaft, dass Pseudogene in piRNA-Clustern eine kritische Funktion besitzen. Die Beobachtung, dass piRNA-Cluster tendenziell in Regionen mit erhöhter Gendichte und GC-Gehalt liegen, was auf offenes und aktives Chromatin hindeutet, scheint eher dafür zu sprechen, dass das Vorhandensein von Pseudogenen nicht mehr als ein Nebenprodukt bei der Entstehung von piRNA-produzierenden Loci darstellt. Small non-coding RNAs (sRNAs or sncRNAs) are present in every domain of life and undertake a great diversity of tasks including gene regulation, transposon repression and antiviral defense. To execute their functions, sRNAs such as microRNAs (miRNAs), small-interfering RNAs (siRNAs) and Piwi-interacting RNAs (piRNAs), all depend on Argonaute proteins that form larger complexes with additional factors. These complexes are then guided by the sRNA to their target nucleic acids based on sequence complementarity. In addition to these commonalities, evolution has given rise to a broad range of adaptations for many sRNA systems in different lineages. The largely animal-specific class of piRNAs, which associates with Piwi clade Argonaute proteins, represents a system with a particularly remarkable degree of evolutionary plasticity. piRNAs are typically known to defend genome integrity in the animal germline against transposable elements (TEs) that become active during the epigenetic reprogramming of early germ cells. Hence the piRNA pathway is involved in an ongoing arms race against TEs attempting to proliferate and transfer to the next generation through host germlines. The present thesis aims to facilitate sRNA research in general and addresses outstanding questions on the piRNA pathway using a mostly comparative strategy. After summarizing the latest state of art knowledge on sRNA-based TE silencing in eukaryotes, it describes a newly developed software tool called unitas, for the annotation of a variety of sRNAs, including miRNAs and their isoforms, piRNAs, plant-specific phased siRNAs (phasiRNAs), tRNA-derived fragments (tRFs) and other RNAs, in a large selection of species from sRNA sequencing data. The underlying study of the subsequent chapter demonstrates the activity of the PIWI/piRNA pathway in the soma of mollusks, including clear signs of post-transcriptional TE repression and adaptations to targeting young transposons. Additionally, it reveals a dynamic expression pattern of piRNA-producing loci during oyster development, providing sources for piRNAs from different TE families. This work and other recent findings suggest that the near germline-specificity of the piRNA pathway in vertebrates likely represents an adaptation that was acquired later in the evolution of animals. In the next chapter, an extensive analysis of the piRNA transcriptome of adult porcine testis uncovers post-transcriptional processing of protein-coding genes within a piRNA-specific amplification loop, termed the ping-pong cycle, which is also demonstrated in mouse and human. It further shows that piRNA clusters, which are large genomic loci that produce the majority of piRNAs in adult testis, contain gene and pseudogene sequences that might serve as a source for antisense piRNA that target corresponding parent genes. Finally, the last part of the thesis explores the evolution of piRNA clusters and integrated pseudogenes in primates and their ability to regulate protein-coding genes across species. However, since such piRNA clusters evolve rapidly and the gene targeting capacity by pseudogene- derived piRNAs is weakly maintained among primate species, it seems questionable that pseudogenes in piRNA clusters have a critical function. Based on evidence that piRNA clusters tend to be located in regions with elevated gene-density and higher GC content, both of which are indicators of open and active chromatin, it seems likely that the presence of pseudogenes is merely a byproduct resulting from the generation of piRNA-producing loci.
DDC:	570 Biowissenschaften 570 Life sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 10 Biologie
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4822
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000027436
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	iv, 139 Blätter
Appears in collections:	JGU-Publikationen