Elucidating evolutionary patterns of PIWI/piRNA-mediated transposon and gene regulation
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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.