Regulatory small RNA pathways in the nematode C. elegans and the ant T. rugatulus

Abstract

Epigenetic regulation via RNA interference (RNAi) is an important method for altering gene expression and for silencing transposons; transposable genetic elements which can self-insert into the genome at various locations, thus wreaking havoc on the genome when not kept in check. RNAi functions via proteins known as Argonautes which associate with small RNAs, using these to direct them to their targets via sequence complementarity. This thesis concerns different pathways related to RNAi in the nematode Caenorhabditis elegans, in which RNAi has long been studied, as well as in the ant, Temnothorax rugatulus, in which RNAi has not priorly been studied. In Chapter I, we show how the worm-specific Argonaute WAGO-3 is paternally inherited via the sperm in C. elegans, where it localizes to the newly found PEI-granule, whose phase-separation is controlled by the proteins PEI-1 and PEI-2. We show evidence to support the segregation into budding spermatids of PEI-1/2 and WAGO-3 via anchoring to fibrous body–membranous organelles (FB-MOs). We also show that WAGO-3 is important for paternal inheritance of transgenerational epigenetic memory (RNAe). In Chapter II, we show that T. rugatulus expresses at least two different classes of small RNAs; miRNAs and piRNAs. We show that miRNAs are related to caste-differentiation and that the piRNA pathway, relevant for transposon silencing, is active even in rudimentary ovaries incapable of reproducing. Finally, in Chapter III, we provide new insights into the functionalities of the three germline-expressed, worm-specific Argonautes WAGO-1, WAGO-3, and WAGO-4 in C. elegans. We show evidence that WAGO-1 and WAGO-4 influence the paternal ALG-3/4 pathway, possibly via interaction with the nuclear Argonaute WAGO-9/HRDE-1. WAGO-3, on the other hand, we find to influence the maternal ERGO-1 pathway, most likely also via interaction with one or more nuclear Argonautes. We find that Argonaute regulation depends on the lifestage of C. elegans, and we lastly show that mRNA misregulation caused by loss of WAGO-4 is remembered transgenerationally.

Epigenetisches Regulierung durch RNA Interferenz (RNAi) ist eine wichtige Methode um Genexpression zu beeinflussen und um Transposons zu unterdrücken. Transposons sind genetische Elemente die sich selbst an verschiedene Orte des Genoms einfügen können, und dabei das Genom zerstören, wenn sie nicht kontrolliert werden. RNAi funktioniert durch Proteine, sogenannte Argonauten, der mit Small RNAs interagieren und diesen benutzten, um ihre Ziele durch Sequenzkomplementarität zu finden. Dieser Dissertation betrifft verschiedene Pathways bezogen auf RNAi in der Nematode Caenorhabditis elegans, bei dem RNAi schon lange studiert wurde, sowie in die Ameise Temnothorax rugatulus, bei der RNAi nicht zuvor studiert wurde. In Kapitel I zeigen wir wie der wurmspezifischen Argonaut WAGO-3 paternal durch die Spermien in C. elegans geerbt wird. Hier lokalisiert es sich auf dem neu entdeckten PEI-Granulum, dessen Phasentrennung durch die Proteine PEI-1 und PEI-2 kontrolliert wird. Wir zeigen Beweise, die die Segregation von PEI-1/2 und WAGO-3 in budding Spermatiden durch Verankerung an Fibrous Body-Membranous Organellen (FBMOs) unterstützen. Wir zeigen, dass WAGO-3 wichtig für paternaler Erbe vom transgenerationelles epigenetisches Gedächtnis ist. In Kapitel II zeigen wir, dass T. rugatulus mindesten zwei verschiedenen Klassen von Small RNAs exprimieren; miRNAs und piRNAs. Wir zeigen, dass miRNAs mit der Kastendifferenzierung zusammenhängen, und dass das piRNA Pathway, die für Transposon-unterdrückung notwendig ist, sogar in rudimentären Eierstöcken, die sich nicht reproduzieren können, aktiv ist. Schließlich geben wir in Kapitel III neue Einblicke in die Funktionalitäten der drei in der Keimbahn exprimierten wurmspezifischen Argonauten WAGO-1, WAGO-3 und WAGO-4 in C. elegans. Wir zeigen Evidenz dafür, dass WAGO-1 und WAGO-4 mit der paternalen ALG-3/4 Pathway interagieren, möglicherweise durch Interaktion mit der nuklearen Argonaut WAGO-9/HRDE-1. Anderseits finden wir, dass WAGO-3 mit der maternalen ERGO-1 Pathway interagiert, höchstwahrscheinlich auch durch Interaktion mit einen oder mehreren nuklearen Argonauten. Wir stellen fest, dass Argonaut-regulierung vom Lebensstadium von C. elegans abhängig ist, und zeigen schließlich, dass Fehlregulierung von mRNAs, die durch Verlust von WAGO-4 verursacht ist, transgenerationell erinnert wird.