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Heterochromatin components are required for limiting biogenesis of siRNAs to sequences targeted for DNA elimination in Tetrahymena
Jan Henrik Suhren
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (Dissertationsgebiet: Molekulare Biologie, DK: RNA Biology)
Betreuer*in
Kazufumi Mochizuki
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30149.60818.453563-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Heterochromatin wird allgemein als repressiver Chromatinstatus definiert. Da Heterochromatin seine eigene Ausbreitung verstärkt, müssen eukaryotische Genome diese begrenzen, um die Funktionsfähigkeit des Genoms zu gewährleisten. Dies ist besonders im Kontext der programmierten DNA Eliminierung wichtig, welche der Protist Tetrahymena thermophila nutzt, um tausende von transposonverwandten Sequenzen aus seinem somatischen Genom herauszuschneiden. Diese Sequenzen werden interne eliminierte Sequenzen (IESs) genannt. De novo Heterochromatin Etablierung ist in diesem Prozess ein essentieller Zwischenschritt, der für die Mehrzahl von IESs durch eine Population von kleinen RNAs, die sich Frühe-scnRNAs nennen, eingeleitet wird. Die übrigen IESs benötigen Späte-scnRNAs für ihre Eliminierung, welche durch eine Amplifikationsschleife produziert werden, die vermutlich auf Zyklen sich gegenseitig induzierender und verstärkender Heterochromatin Entstehung und Später-scnRNA Produktion basiert. Wie ein derartiger positiver Rückkopplungsmechanismus auf IESs begrenzt werden kann, damit ausschließlich diese eliminiert werden, ist bis heute unklar.
In meiner Doktorarbeit habe ich vier Proteine identifiziert, die dafür wichtig sind, um die Späte-scnRNA Produktion auf IESs zu beschränken: das HP1-verwandte Protein Coi6p, seine zwei Interaktionspartner Coi7p und Lia5p sowie die Histone H3 Lysine 27 (H3K27) Demethylase Jmj1p. Coi6p, Coi7p und Lia5p sind Heterochromatinkomponenten. In Knockouts (KOs) von COI6, COI7 und LIA5 findet IESs Elimination größtenteils nicht statt, die Akkumulation von Kernheterochromatinkomponenten wie Pdd1p wird jedoch nicht blockiert. Dies legt nahe, dass Coi6p, Coi7p und Lia5p für die anfängliche Etablierung des Heterochromatin nicht notwendig sind, sondern in einem anderen Prozess aktiv sind. In Übereinstimmung damit konnte ich mit Hilfe der Sequenzierung von scnRNAs nachweisen, dass sich in COI6, COI7 und LIA5 KO-Zellen die Produktion von Späten-scnRNAs über die Grenzen von IESs hinaus ausbreitet. Im Gegensatz zu Coi6p, Coi7p und Lia5p findet sich in JMJ1 KO-Zellen lediglich ein schwacher Defekt bezüglich der Eliminierung von IESs. Trotzdem ist Jmj1p für die Begrenzung der Späten-scnRNA Produktion auf IESs wichtig, wie ich durch Analyse der scnRNAs in JMJ1 KO-Zellen gezeigt habe. Darüber hinaus verursacht die unpräzise Produktion von Späten-scnRNAs in COI6, COI7 und JMJ1 KO-Zellen fehlerhafte DNA Eliminierung. Zusammenfassend kann ich in der vorliegenden Arbeit zum ersten Mal zeigen, dass Heterochromatin nicht nur für die Produktion von Späten-scnRNAs wichtig ist, sondern auch für ihre IESs-Spezifität und damit für die Genauigkeit der DNA Eliminierung.
Abstract
(Englisch)
Heterochromatin is generally defined as a condensed, repressive chromatin state. Due to the self-propagating nature of heterochromatin, eukaryotic genomes must maintain heterochromatin boundaries to safeguard genome functions. This is particularly critical in the context of a process termed programmed DNA elimination, by the protist Tetrahymena thermophila excises thousands of transposon-related sequences from its somatic genome. The excised sequences are called internal eliminated sequences (IESs). De novo heterochromatin formation is an essential intermediate step of DNA elimination and is targeted to a large subset of IESs by a population of small RNAs, called Early-scnRNAs. The remainder of IESs requires a small RNA amplification loop that yields Late-scnRNAs for their removal. During the latter process heterochromatin probably spreads in a Late-scnRNA dependent manner and further drives production of Late-scnRNAs. Yet, how such a self-reinforcing positive feedback loop is stopped and limited to IESs in order to prevent elimination of non-IES sequences has remained obscure.
In this study I identified four proteins important for confining Late-scnRNAs to IESs: the HP1-like protein Coi6p, two Coi6p interaction partners Coi7p and Lia5p, and the histone H3 lysine 27 demethylase Jmj1p. Coi6p, Coi7p and Lia5p are heterochromatin components localizing to heterochromatic foci. Furthermore, ChIP-sequencing shows Coi6p enrichment on IESs. Knock-out (KO) of COI6, COI7 or LIA5 largely blocks elimination of IESs, and absence of Coi6p leads to spreading of core heterochromatin components H3K9/K27me3 and Pdd1p outside IESs. These results suggest that Coi6p, Coi7p and Lia5p are necessary for the precise establishment of heterochromatin on IESs. Consistent with this, sequencing of scnRNAs in COI6, COI7 and LIA5 KO cells reveals that, in the absence of either of these proteins, Late-scnRNA amplification spreads outside IESs’ boundaries. Similarly, scnRNA-sequencing indicates that Jmj1p also assists in restraining Late-scnRNAs within the IESs boundaries, however this only leads to a minor block of IESs elimination. Moreover, in ∆COI6, ∆COI7 and ∆JMJ1 cells spreading of scnRNAs causes aberrant DNA elimination. Collectively, this study demonstrates for the first time that heterochromatin components are important not only for the production of Late-scnRNAs, but are also essential for the IESs-specificity of the Late-scnRNA pool and thereby for genome integrity by preventing mistargeting of DNA elimination.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
RNAi RNA interference tetrahymena DNA elimination heterochromatin spreading heterochromatin boundary small RNAs HP1 proteins
Schlagwörter
(Deutsch)
RNAi RNA Interferenz Tetrahymena DNA Eliminierung Heterochromatin kleine RNAs
Autor*innen
Jan Henrik Suhren
Haupttitel (Englisch)
Heterochromatin components are required for limiting biogenesis of siRNAs to sequences targeted for DNA elimination in Tetrahymena
Paralleltitel (Deutsch)
Heterochromatin Komponenten sind nötig um die Biogenese von Späten-scnRNAs auf Sequenzen zu begrenzen, die in Tetrahymena Ziel von DNA Eliminierung sind
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
119 S.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Sean Taverna ,
Ortrun Mittelsten-Scheid
Klassifikationen
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,
42 Biologie > 42.15 Zellbiologie
AC Nummer
AC12699393
Utheses ID
35278
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 490 |