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Genetic and molecular analysis of piRNA biogenesis in Drosophila
Daniel Olivieri
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Betreuer*in
Julius Brennecke
DOI
10.25365/thesis.25115
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29592.68405.252960-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Der sogenannte “piRNA-pathway” ist einer der drei zentralen Gen-Repressionssysteme die auf kleinen regulatorischen RNAs beruhen. Er agiert als das Hauptabwehrsystem gegen Transposons und wurde in allen bisher untersuchten Tierarten gefunden (Juliano et al., 2011). Der piRNA-pathway ist vornehmlich in den Gonaden aktiv und schützt die reproduktiven Genome der Keimzellen vor dem mutagenen Einfluss von Transposons (Klattenhoff et al., 2007; Theurkauf et al., 2006). Genau hier nämlich sind Transposons aufgrund ihrer überwiegend vertikalen Übertragungsstrategie besonders aktiv (Shigenobu et al., 2006). Defekte im piRNA-pathway resultieren in starker Anreicherung von Transposons und zu weitreichenden Defekten in der Genomintegrität von Keimzellen was unmittelbar zu Sterilität führt.
Ähnlich wie micro-RNAs (miRNAs) und short interfering RNAs (siRNAs) werden auch piRNAs von Proteinen der Argonaut Familie gebunden. Diese drei Klassen regulatorischer kleiner RNAs verleihen dem jeweiligen Argonaut-Komplex die Sequenz-Spezifität um ganz bestimmte komplementäre RNAs zu erkennen und deren Expression zu verhindern (Aravin and Hannon, 2008; Ghildiyal and Zamore, 2009). Die Argonaut-Proteine, die im piRNA Prozess wirken, gehören zur PIWI Untergruppe und ihre gebundenen kleinen RNAs werden deshalb PIWI interacting RNAs (piRNAs) genannt. Da piRNAs meist komplementär zu Transposon-Sequenzen sind, steuern sie ganz gezielt die Stilllegung dieser egoistischen genetischen Elemente.
Während meiner Dissertation habe ich den Vorgang der piRNA-Biogenese studiert, welcher sich grundsätzlich von der Biogenese der anderen kleinen regulatorischen RNAs unterscheidet. piRNA Biogenese ist beispielsweise unabhängig von RNAse III Enzymen wie Dicer (Houwing et al., 2007; Vagin et al., 2006) und auch scheinen doppelsträngige RNA-Vorstufen (dsRNA) keinerlei Rolle zu spielen. In der Tat ist keiner der siRNA- oder miRNA-Biogenese Faktoren in der Biogenese von piRNAs involviert.
Das Hauptziel meiner Arbeit war zentrale Aspekte der piRNA-Biogenese in den Ovarien von Drosophila zu beschreiben. Für meine Arbeit habe ich verschiedene genetische Methoden sowie molekularbiologische Ansätze, wie die Sequenzierung von piRNA Populationen und bioinformatische Analysen kombiniert, um folgende Fragen zu beantworten:
• Welche Faktoren sind an der piRNA-Biogenese beteiligt und was sind deren molekularen Funktionen?
• Wo genau finden die einzelnen Prozesse der piRNA- Biogenese in der Zelle statt?
• Wie unterscheiden sich die jeweiligen piRNA-Biogenese Vorgänge, die mit den drei Typen von PIWI Proteinen verknüpft sind, voneinander?
Die Ergebnisse aus meiner Dissertation tragen erheblich zur Beantwortung dieser Fragen bei. Es wurden mehrere Proteine identifiziert, die für die Herstellung von piRNAs essentiell sind und einigen dieser Faktoren konnten spezifische Rollen zugewiesen werden. Ferner konnten wichtige Schlüsse über die zellbiologische und hierarchische Organisation der piRNA-Biogenese Prozesse gezogen werden. Die gewonnenen Erkenntnisse scheinen auch im piRNA Prozess von Wirbeltieren gültig zu sein -ein klares Argument dafür dass Drosophila ein geeigneter Modellorganismus für die Erforschung dieses faszinierenden Genom-Immunsystems ist. Die zentralen Ergebnisse meiner Dissertationsarbeit wurden in zwei Originalartikeln publiziert, deren breitere Implikationen im Diskussionsteil dieser Arbeit näher besprochen werden.
Abstract
(Englisch)
The piRNA-pathway is a small RNA based transposon silencing system that has been found in all animals analyzed so far (Juliano et al., 2011). It acts preferentially in gonads where it protects the reproductive genomes of germ cells from the mutagenic activity of transposons (Klattenhoff et al., 2007; Theurkauf et al., 2006). Indeed, transposons have evolved to be particularly active in germ cells (Shigenobu et al., 2006) due to their mostly vertical transmission strategy and loss of the piRNA pathway leads to sterility due to severe defects in germline genome integrity.
Like the micro-RNA (miRNA) and the short interfering-RNA (siRNA) pathways, the piRNA pathway is based on Argonaute proteins bound to small RNAs, which guide the silencing of complementary RNAs (Aravin and Hannon, 2008; Ghildiyal and Zamore, 2009). Argonaute proteins acting in the piRNA pathway belong to the PIWI clade and their complexed small RNAs are therefore called PIWI interacting RNAs (piRNAs). By being preferentially complementary to transposon sequences, piRNAs guide the selective silencing of these selfish genetic elements.
During my dissertation, I studied the process of piRNA biogenesis, which differs fundamentally from the biogenesis of other small regulatory RNAs. For example, piRNA biogenesis doesn’t involve RNAse III enzymes such as Dicer (Houwing et al., 2007; Vagin et al., 2006) or double stranded RNA (dsRNA) precursors. In fact no protein acting in the biogenesis of siRNAs or miRNAs is known to participate in piRNA biogenesis.
The major aim of my thesis was to dissect the processes underlying piRNA biogenesis in the Drosophila ovary. Towards this end, I combined various genetic approaches with molecular assays such as small RNA sequencing and bioinformatics to ask the following specific questions:
• Which factors are involved in piRNA biogenesis and what are their molecular functions?
• What is the cell biological organization of piRNA biogenesis processes?
• Given that there are multiple PIWI family proteins, are different piRNA biogenesis pathways feeding into distinct PIWI proteins?
The work presented in this PhD thesis shed considerable light on these questions. Using a reverse genetics approach, I could assign essential roles to several proteins in the process of piRNA biogenesis. Genetic and molecular analyses of these allowed me to formulate major conclusions about the cell biological and hierarchical organization of piRNA biogenesis processes in Drosophila. Most of the described findings appear to be conserved in vertebrate piRNA pathways highlighting the importance of the Drosophila model system for our general understanding of this evolutionarily conserved genome surveillance system. The primary results of my thesis work are rpresented by two peer-reviewed publications and the broader implications of these findings are discussed in the Discussion chapter.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Drosophila piRNA pathway Piwi transposon silencing
Schlagwörter
(Deutsch)
Drosophila piRNA-Pathway Piwi Transposon-Stilllegung
Autor*innen
Daniel Olivieri
Haupttitel (Englisch)
Genetic and molecular analysis of piRNA biogenesis in Drosophila
Paralleltitel (Deutsch)
Genetische und molekulare Analyse der piRNA-Biogenese in Drosophila
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
117 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Ramesh Pillai ,
Donal O'Carroll
AC Nummer
AC11011008
Utheses ID
22446
Studienkennzahl
UA | 094 | 490 | |