| Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Publikationen mit Print on Demand (43MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-324687
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.32468
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | September 2015 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Gunter Meister |
| Tag der Prüfung: | 24 Juli 2015 |
| Institutionen: | Biologie und Vorklinische Medizin > Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie > Lehrstuhl für Biochemie I > Prof. Dr. Gunter Meister |
| Stichwörter / Keywords: | piRNA, Drosophila, transposable elements |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 32468 |
Zusammenfassung (Englisch)
RNA interference (RNAi) is a cellular mechanism where small RNAs (20 to 35 nucleotides in length) pair with proteins to build effector complexes guiding them to RNA targets through homologous base pairing. The piRNA pathway is a germ line specific RNAi pathway that protects the gonads of animals from harmful genetic sequences, termed transposable elements (TEs). TEs are viral DNA remnants that ...
Zusammenfassung (Englisch)
RNA interference (RNAi) is a cellular mechanism where small RNAs (20 to 35 nucleotides in length) pair with proteins to build effector complexes guiding them to RNA targets through homologous base pairing.
The piRNA pathway is a germ line specific RNAi pathway that protects the gonads of animals from harmful genetic sequences, termed transposable elements (TEs). TEs are viral DNA remnants that can autonomously mobilize within genomes and cause damage through insertion into new genomic loci and double-strand breaks in DNA. TE activity in germline cells ultimately leads to sterility and its suppression through the piRNA pathway is therefore essential for propagation.
While the piRNA pathway shares common characteristics with the two major RNAi pathways (miRNAs and siRNAs), it additionally exhibits several unique features, particularly during biogenesis. piRNAs originate from large non-genic regions, so called piRNA clusters, or from mRNAs of transposable elements. Neither of these RNA transcripts contain the requisite structural features capable of triggering small RNA production, seen in both siRNAs and miRNAs. Consequently, piRNAs are produced in a Dicer independent manner. Therefore, it is not yet understood, how target transcript are recognized by the piRNA pathway.
Furthermore, the extent of piRNA functionality in vivo are not well defined, as they seem to act on multiple levels to protect the germline genome from the propagation of transposable elements. piRNAs lead to direct cleavage of TE mRNAs, but also seem to change the chromatin landscape of regions expressing RNA targets. Additionally, the effect of piRNAs reaches into the next generation through a transgenerational epigenetic mechanism.
This study focuses on the characterization of the early stages in piRNA biogenesis, starting at their transcription through the first processing steps. The data presented suggest that the two different piRNA cluster types, uni-stranded and double-stranded clusters, differ greatly in the properties of their transcription. Uni-stranded clusters exhibit a defined transcription start site, giving rise to 5' capped piRNA precursor molecules that resemble canonical mRNAs. Whereas, double-stranded clusters do not show a distinct start site and can be transcribed through internal initiation or read through transcription from neighboring genes. The work furthermore reveals the existence of piRNA intermediates: they are over 200 nucleotides long, which contain a 5' monophosphorylated terminus and already exhibit the nucleotide biases similar to mature piRNAs.
After processing of piRNA precursors into mature piRNAs, their effects can reach into subsequent generations.
To investigate the trans-generational aspect of piRNAs, I utilized transgenic fly models. The results reveal that piRNAs are epigenetic factors influencing a plethora of mechanisms in the piRNA pathway: ensuring a strong piRNA production in the next generation through maintenance of both piRNA production pathways (primary and secondary piRNA production). Furthermore, they maintain the characteristic structural chromatin features of piRNA clusters in the next generation. However, most strikingly piRNAs are capable of transforming regions expressing targeted transcripts into loci producing primary piRNAs. Therefore, the latter result informs a revision to the current definition of piRNA sources and their subsequent targets. piRNA sources and targets might not be strictly distinct, but any piRNA target acquires piRNA cluster signatures and starts producing piRNAs.
The discovery that inherited piRNAs transform a piRNA target into a source, allowed the investigation of the molecular changes at loci targeted by the piRNA pathway. These newly established piRNA clusters acquire a specific chromatin configuration consisting of the histone mark H3K9me3 and two piRNA protein factors Rhino and Cutoff. Together, these factors correlate with increased transcription of their targeted loci. Cutoff appears to be the key factor in piRNA production, through both promotion of read-through transcription beyond stop signals and protection of RNA termini against exonucleolytic degradation.
Overall, the presented data contribute to an understanding of the molecular mechanisms in piRNA biogenesis, from the initial processing steps through the trans-generational effect of piRNAs. It suggests that the piRNA system is organized as a giant feed-forward loop, where piRNAs themselves reach into the next generation to ensures reliable propagation of the system and effective silencing of deleterious TE sequences.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
RNA Interferenz (RNAi) beschreibt die Regulierung von RNA Moleküle durch einen Komplex, bestehend aus kleinen nicht-codierenden RNAs und einem Protein der Argonauten Familie. In diesem Komplex dient die kleine nicht-kodierende RNA der Erkennung der Ziel-RNA über komplementäre Basenpaarung, während Argonatuen die Expression der Ziel-RNA modulieren. Der piRNA Pathway ist ein RNAi Mechanismus, der ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
RNA Interferenz (RNAi) beschreibt die Regulierung von RNA Moleküle durch einen Komplex, bestehend aus kleinen nicht-codierenden RNAs und einem Protein der Argonauten Familie. In diesem Komplex dient die kleine nicht-kodierende RNA der Erkennung der Ziel-RNA über komplementäre Basenpaarung, während Argonatuen die Expression der Ziel-RNA modulieren.
Der piRNA Pathway ist ein RNAi Mechanismus, der ausschließlich in Keimzellen von Metazoa zu finden ist und diese Zellen gegen die Aktivität sogenannter transposable elements (TEs) schützt. TEs sind genetische Elemente viralen Ursprungs, die sich autonom im Genom vermehren und bewegen können und zu Doppelstrangbrüchen und Mutationen führen können. In Keimzellen führen aktive TEs zu Sterilität, daher ist es für einen Organismus von höchster Priorität, diese Elemente zu unterdrücken, um das Überleben einer Spezies zu sichern.
Der piRNA pathway ist der klassischen RNA Interferenz durch miRNAs und siRNAs in vielen Aspekten ähnlich, hat aber dennoch einige Besonderheiten, vor Allem währen der Biogenese der piRNAs. Im Gegensatz zu miRNAs und siRNAs, die durch das Protein Dicer von doppelsträngigen Vorläufer RNAs produziert werden, werden piRNAs aus einzelsträngigen nicht-codierenden RNA Transkripten hergestellt. Wie diese langen Vorläufermoleküle als Substrate für die piRNA Produktion erkannt werden, ist noch nicht bekannt. Auch der genaue Mechanismus wie piRNAs Keimzellen gegen TEs schützen ist nicht komplett untersucht. Neben direkter Spaltung des Zielmoleküles scheinen piRNAs auch Einfluss auf die Chromatinkonfiguration der genetischen Zielregionen zu nehmen und darüber hinaus in einem generationenübergreifenden Mechanismus die nächste Generation vor TEs zu schützen.
In dieser Doktorarbeit wurden die frühen Phasen der piRNA Produktion untersucht, angefangen bei der Transkription der Vorläufermoleküle bis zu den ersten Schritten der piRNA Produktion. Die Ergebnisse dieser Arbeit demonstrieren, dass sich die Transkription beider Arten von piRNA Ursprungsorten, uni-direktionale und bi-direktionale cluster, unterscheidet. Uni-direktionale piRNA cluster werden von einem klar definierten Promoter transkribiert, die Transkripte besitzen eine Cap-Struktur, wie sie von kodierenden Genen bekannt ist. Die Transkription bi-direktionaler cluster scheint an internen, nicht klar definierten Promotoren initiiert zu werden, auch diese Transkripte besitzen eine Cap-Struktur. Um die Transkription bi-direktionaler cluster zu gewährleisten, ist das Protein Cutoff notwendig, das Signale unterdrückt die normalerweise zum Abbruch der Transkription durch die RNA-Polymerase II führen.
Nachdem piRNAs aus langen einzelsträngigen Vorläufermolekülen hergestellt wurden, reicht ihre Wirkung bis in die nächste Generation. Sie dienen als epigenetisches Signal, das den piRNA Pathway in den Keimzellen der Folgegeneration aufrecht erhält. Sie definieren zum Einen, welche piRNA Vorläufer Moleküle in den Prozess der piRNA Biogenese geschleust werden und definieren somit den Pool and piRNAs in der nächsten Generation. Zum Anderen beeinflussen sie die Chromatinstruktur ihrer Ziel- und Ursprungsregionen. Ziel- und Ursprungsregionen von piRNAs akkumulieren die Histon-Modifikation H3K9me3, welche wiederum die beiden Proteine Rhino und Cutoff rekrutieren. Diese beiden Komponenten definieren einen genetischen Lokus als Ursprungsort von piRNAs und führen durch Unterdrückung von Transkriptions-Terminierung zur Produktion von piRNAs. Damit wird der genomische Lokus eines piRNA Zielmoleküles in einen piRNA produzierenden Lokus umgewandelt.
Die hier präsentierten Daten leisten einen Beitrag zum besseren Verständnis der molekularen Mechanismen der piRNA Produktion, begonnen bei der Transkription von piRNAs, über erste piRNA Biogeneseschritte, bis hin zu ihrem generationenübergreifenden Effekt. Sie legen nahe, dass der piRNA Pathway in einem großen feed-forward-loop organisiert ist, in dessen Herzen piRNAs selbst die nächste Generationen vor Schäden durch TEs schützt.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 23:33
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