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Unraveling transcriptome complexity in plants
the alternative splicing landscape of Arabidopsis thaliana
Yamile Marquez Ortiz
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Betreuer*in
Andrea Barta
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Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29944.83549.961866-2
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Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Alternatives Spleißen (AS) ist ein wichtiger posttranskriptioneller Prozess, der zur Regulation der Genexpression beiträgt und zur Transkript- und Proteomdiversifizierung in einem Organismus führt. Meine Dissertation analysiert AS in der Modelpflanze Arabidopsis thaliana, ein bisher noch wenig erforschtes Arbeitsgebiet. AS kann die Genexpression durch die Erzeugung von Transkripten, die zum Abbau durch den „Nonsense-mediated decay (NMD)“-Weg bestimmt sind, stark beeinflussen. Durch unsere Untersuchungen von NMD-beinträchtigen Pflanzen mittels eines hochauflösenden „RT-PCR AS Panel“ konnten wir zeigen, dass 13-18% der multi-exonischen Arabidopsis Gene durch AS gekoppelt mit NMD reguliert sind. Genauere Analysen der NMD-sensitiven AS Transkripte zeigten, dass zusätzlich zu den bereits bekannten Merkmalen eines Transkripts, die NMD auslösen können, auch AS in der 5’-untranslatierten Region der mRNA NMD auslösen kann, und zwar abhängig von der Präsenz, Länge, und Position von uORFs („upstream open reading frames“). Bemerkenswert war jedoch, dass Transkripte, die ein ungespleißtes Intron (Intronretention, IR) und typische NMD-Merkmalen aufwiesen, dennoch nicht durch NMD abgebaut wurden, was eine Erklärung für das relativ hohe Vorkommen von IR in Pflanzen sein könnte. Diese Untersuchungen zeigten auch, dass weitaus mehr unterschiedliche Transkripte von den getesteten Genen produziert wurden, als bisher gezeigt werden konnte. Um festzustellen, wie oft und in welcher Form AS genomweit vorkommt, sequenzierten wir eine normalisierte cDNA Bibliothek von Wildtyp-Arabidopsis Pflanzen mittels Hochdurchsatz-Techniken (RNAseq). Damit konnten wir zeigen, dass ~61% der multi-exonischen Gene alternativ gespleißt werden, was die Bedeutung von AS für die Transkriptdiversifizierung veranschaulicht. Obwohl IR der am häufigsten vorkommende AS Typ ist, kommen IR Transkripte oft nur in geringen Mengen vor und tragen somit wenig zur mRNA Gesamtpopulation bei. Eine gründliche Analyse der IR Transkripte führte uns zur Entdeckung eines neuartigen Typs von AS, den wir als „Exitron-Spleißen“ bezeichnen, wobei interne Regionen eines kodierenden Exons heraus gespleißt werden können. Exitron-Spleißen kommt auch beim Menschen vor, was zeigt, dass es ein genereller AS Typ ist, der das Repertoire der bereits bekannten Typen von AS ergänzt. Exitronsequenzen kodieren oft für unstrukturierte Proteinregionen, was vermuten lässt, dass ihr Herausspleißen die Interaktionsnetzwerke von Proteinen beeinflusst. Durch evolutionäre Analysen konnten wir auch zeigen, dass Exitrone ursprünglich von „Ur-Exon-Sequenzen“ abstammen. Wir schlagen auch eine Hypothese für den Mechanismus der Exitronbildung vor, bei der durch den Verlust der benachbarten Introns und mit Hilfe zurückgebliebene Spleiß-Signale die Evolution von Exitron-Spleißen vorangetrieben wurde (Hypothese des Spleißgedächnisses).
Abstract
(Englisch)
Alternative splicing (AS) is a major post-transcriptional process involved in regulating gene expression and generating transcript and proteome diversity. Here, I present my contributions to the relatively unexplored AS landscape in the model plant Arabidopsis thaliana. AS can regulate gene expression by producing transcripts that are targeted for degradation via nonsense-mediated decay (NMD). Analyzing plants impaired in NMD by the high-resolution RT-PCR AS panel, we found that 13-18% intron-containing genes are regulated by coupled AS/NMD. Inspection of the NMD-sensitive AS transcripts showed that, in addition to known features, AS in 5’UTRs affects the presence, size, and position of uORFs which can trigger NMD. Notably, intron retention (IR) transcripts presenting classical NMD features were NMD insensitive, explaining the high frequency of IR events in plants. This study has also revealed an unexpectedly high prevalence of novel AS transcripts. To assess the frequency of AS at a genome-wide level, we employed RNA-Seq of a normalized cDNA library from wild-type Arabidopsis plants. We found that ~61% of the multi-exonic genes undergo AS, setting AS as a major mechanism for transcript diversity in Arabidopsis. Despite IR being the most frequent type of AS, most of the IR transcripts are low abundant, indicating their minor contribution to the total mRNA population. Closer inspection of the IRs led to the discovery of a novel type of AS event which we named exitron (exonic intron) splicing, whereby internal parts of a coding exon can be alternatively spliced. Exitron splicing is also present in humans, therefore it is a general AS event complementing the repertoire of existing AS events. Exitron-encoded protein sequences are enriched in disordered regions, implying an impact of exitron splicing on remodeling of protein interaction networks. We show that exitrons originate from ancestral exons through a history of adjacent intron loss and propose the “splicing memory” hypothesis stating that remaining splicing regulatory signals promoted the evolution of exitron splicing.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
Alternative Splicing Transcriptome Regulation of gene expression
Schlagwörter
(Deutsch)
Alternatives Spleißen Transkriptom Regulation von Genexpression
Autor*innen
Yamile Marquez Ortiz
Haupttitel (Englisch)
Unraveling transcriptome complexity in plants
Hauptuntertitel (Englisch)
the alternative splicing landscape of Arabidopsis thaliana
Paralleltitel (Deutsch)
Die Komplexität des Transkriptoms in Pflanzen ; die umfangreiche Rolle vom Altenativen Spleißen in Arabidopsis thaliana
Publikationsjahr
2014
Umfangsangabe
175 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Dorothee Steiger ,
Michael Jantsch
Klassifikation
30 Naturwissenschaften allgemein > 30.00 Naturwissenschaften allgemein: Allgemeines
AC Nummer
AC11649715
Utheses ID
28999
Studienkennzahl
UA | 094 | 490 | |
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