Piwi and piRNAs act upstream of an endogenous siRNA pathway to suppress Tc3 transposon mobility in the Caenorhabditis elegans germline
Piwi und piRNAs reprimieren Tc3 Transposon Mobilität in der Caenorhabditis elegans Keimbahn durch Regulation endogener siRNAs
by Partha Pratim Das
Date of Examination:2008-10-31
Date of issue:2008-12-16
Advisor:Dr. Eric Miska
Referee:Prof. Dr. Ernst A. Wimmer
Referee:Prof. Dr. Ralf Ficner
Referee:PD Dr. Wilfried Kramer
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Description:Dissertation
Abstract
English
Several hundred endogenous small RNAs, namely microRNAs (miRNAs), repeat- associated small interfering RNAs (rasiRNAs), small interfering RNAs (siRNAs) have been discovered in diverse organisms. These small RNAs are derived from different sources and they cause transcriptional gene silencing, translational repression and mRNA cleavage through effector complexes. Several functionally distinct RNA silencing effector complexes have already been isolated from different organisms. Effector complexes are composed of members of the Argonaute (AGO) protein family and single-stranded small RNAs, along with other associated proteins. Members of the Piwi subfamily of Argonaute proteins have conserved roles in germline development and stem cell maintenance. In C. elegans, PRG-1 and PRG-2 are the two members of Piwi sub-family of Argonaute proteins. In order to study the role of PRG-1 and PRG-2 in C. elegans germline development, we generated prg-1 and prg-2 single mutants as well as prg-1; prg-2 double mutant worms, which show severe germline defects. I identify a class of 21 nucleotide RNAs, previously named 21U-RNAs, as the Piwi-interacting RNAs in C. elegans. Piwi and piRNA expression is restricted to the male and female germline and piRNA biogenesis is independent of many other proteins involved in small RNA pathways including DCR-1. I show that Piwi is specifically required for suppression of Tc3 transposons. The excision rate of Tc3 is 100-fold higher in piwi mutants compared to wild-type. There is no evidence for a ping-pong mechanism in C. elegans for amplification of piRNAs. Finally, I demonstrate that a Piwi-piRNA complex acts upstream of the endogenous siRNA pathway for Tc3 silencing and that might suggest a link between the function of endogenous siRNAs and piRNAs.
Keywords: Argonaute; Piwi; piRNA; siRNA; transposon
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In den letzten Jahren wurden verschiedene Klassen
kleiner nicht-kodierender RNA Moleküle identifiziert,
zu denen u.a. die sogenannten microRNAs (miRNAs), die
repeat-associated small interfering RNAs (rasiRNAs) und
die small-interfering RNAs (siRNAs) zählen. Diese RNAs
werden als Einzelstrang in funktionell verschiedene
Protein-RNA Effektorkomplexe integriert, welche als
zentralen Bestandteil ein Mitglied der Argonaute (AGO)
Proteinfamilie enthalten. Argonaute-Proteinkomplexe mit
ihren assoziierten RNAs spielen eine Rolle in
transkriptioneller Genrepression,
Translationsrepression und mRNA-Abbau. Piwi Proteine
bilden eine Untergruppe innerhalb der Argonaute Familie
und weisen konservierte Funktionen in der
Keimbahnentwicklung und der Erhaltung von
Keim(stamm)zellen auf. Im Nematoden Caenorhabditis
elegans existieren zwei Piwi Proteine, PRG-1 und PRG-2.
Um die Funktion von PRG-1 und PRG-2 während der
Keimbahnentwicklung von C. elegans zu untersuchen,
wurden prg-1 und prg-2 Deletionen generiert. Die
Mutation beider Gene (prg-1; prg-2) führt zu stark
ausgeprägten Keimbahndefekten. In dieser Arbeit wird
gezeigt, dass eine Klasse von 21 Nukleotiden langen,
zuvor als 21U-RNA bezeichneten RNAs die
Piwi-interagierenden RNAs (piRNAs) in C. elegans sind.
Piwi und piRNAs sind spezifisch in der Keimbahn
exprimiert. Die Biogenese der piRNAs ist unabhängig von
vielen Proteinen, die eine Funktion in anderen kleinen
RNA Signalwegen haben, wie zum Beispiel Dicer (DCR-1).
Im Gegensatz zu anderen Organismen gibt es keinen
Hinweis auf den sogenannten Ping-Pong Mechanismus zur
Amplifikation von piRNAs. Piwi Proteine reprimieren die
Mobilität von Tc3 DNA Transposons in der Keimbahn. Die
Exzisionsrate in piwi Doppelmutanten ist hundertfach
höher als in Wildtyp Würmern. Zudem kann gezeigt
werden, dass ein Piwi-piRNA Komplex einen endogenen
siRNA Signalweg reguliert, der für die Tc3 Suppression
in der Keimbahn notwendig ist, was auf eine
funktionelle Verbindung zwischen piRNAs und siRNAs
hindeutet.
Schlagwörter: Argonaute; Piwi; piRNA; siRNA; transposon