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Genetic and molecular characterization of the chromatin binding specificity of the HP1 protein variant Rhino
Lisa Christine Baumgartner
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Molekulare Biologie)
Betreuer*in
Julius Brennecke
DOI
10.25365/thesis.72762
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-26056.62769.148058-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Transposons sind ein häufiger Bestandteil eukaryotischer DNA und ihre Aktivität stellt eine Gefahr für die Integrität des Genoms dar. In der Keimbahn von Tieren werden Transposons durch ein auf kleinen RNAs basierendes Abwehrsystem, den so genannten piRNA-Signalweg, zum unterdrückt. In Drosophila melanogaster wird das Zielspektrum des piRNA-Signalweg durch die Sequenz der piRNA-Vorläufer definiert, die aus heterochromatischen piRNAClustern stammen. Die Drosophila Heterochromatin Protein 1 (HP1)-Variante Rhino bindet an sogenannte dual-strand piRNA-Cluster und ermöglicht deren Transkription trotz der Anwesenheit repressiver, heterochromatischer Histonmodifikationen. Mit dieser Funktion nimmt Rhino nicht nur eine zentrale Rolle im piRNA-Signalweg ein, sondern stellt auch ein bemerkenswert spezialisiertes Mitglied der HP1-Proteinfamilie dar. Es wird daher angenommen, dass die spezifische Chromatinbindung von Rhino an piRNA-Clustern entscheidend ist für die Aufrechterhaltung der Transposonregulation und die Verhinderung unerwünschter piRNA-Produktion aus ektopischen Regionen. Aktuelle Modelle gehen davon aus, dass maternal vererbte piRNAs und Histonmarkierungen die Grundlage für die spezifische Chromatinbesetzung von Rhino an piRNA-Ursprungsloci bilden. Diese Faktoren reichen jedoch nicht aus, um die Bindungsspezifität von Rhino zu erklären, was die Existenz anderer, unentdeckter Spezifitätsmerkmale voraussetzt. Im Rahmen meiner Doktorarbeit habe ich Kipferl, ein Mitglied der vielfältigen Familie der Zinkfinger-assoziierten Domäne (ZAD)-C2H2-Zinkfingerproteine, als wichtigen Rhino-Spezifitätsfaktor in Drosophila Eierstöcken entdeckt. In Abwesenheit von Kipferl geht Rhino an den meisten seiner genomischen Bindungsstellen verloren, was zu einem Verlust von Transposon-bindenden piRNAs und einer Beeinträchtigung der Fruchtbarkeit führt. Kipferl bindet an Guanosin-reiche DNA-Motive und interagiert mit der Rhino-Chromodomäne, wodurch Rhino an spezifische Loci rekrutiert wird. Außerdem stabilisieren sich Kipferl und Rhino gegenseitig und besetzen gemeinsam große Chromatindomänen. In kipferl-mutierten Fliegen akkumuliert Rhino auf DNA-Satelliten, was in Immunfluoreszenzfärbungen zu einer charakteristischen Anhäufung von Rhinosignal an der Kernhülle von Keimbahnzellen führt. Diese Umverteilung von Rhino auf egoistische DNA-Satelliten könnte auf einen Kampf um Rhino zwischen verschiedenen repetitiven Elementen hinweisen. Indem Rhino zu piRNAClustern gelenkt und an diversen Loci stabilisiert wird, könnte sich Kipferl entwickelt haben, um ein Gleichgewicht im piRNA-Pool der Eierstöcke herzustellen. Insgesamt zeigen meine Ergebnisse, dass die DNA-Sequenz zusätzlich zur H3K9me3-Markierung die Identität der piRNA-Ursprungsloci bestimmt. Darüber hinaus weisen sie auf die Existenz alternativer Spezifitätsfaktoren hin, die in verschiedenen Entwicklungsstadien der Eierstockentwicklung sowie in den Hoden wirken, wo Kipferl nicht exprimiert wird und die Chromatinbindung von Rhino sich von der in den Eierstöcken unterscheidet. Diese Arbeit trägt entscheidend zu unserem Verständnis darüber bei, wie Heterochromatin-Subkompartimente für die Bindung von HP1-Proteinvarianten spezifiziert werden, und gibt Aufschluss darüber, wie Rhino in das Kreuzfeuer genetischer Konflikte geraten konnte.
Abstract
(Englisch)
Transposable elements are abundant constituents of eukaryotic genomes and their activity poses a danger for genome integrity. In animal gonads, transposons are silenced through a small RNA based genome defense system, termed piRNA pathway. In the germline of Drosophila melanogaster, the target spectrum of this silencing pathway is defined by the sequence of piRNA precursors originating from heterochromatic piRNA clusters. The Drosophila Heterochromatin Protein 1 (HP1) variant Rhino binds to dual-strand piRNA clusters and permits their transcription despite the presence of repressive, heterochromatic histone modifications. With this function Rhino not only holds a central role in the piRNA pathway, but also represents a remarkably specialized member of the HP1 protein family with strongly opposing function compared to canonical HP1a. The specific chromatin binding of Rhino at piRNA clusters is therefore thought to be crucial to maintain transposon silencing and to prevent unwanted piRNA production from ectopic heterochromatic loci. Current models propose a role for maternally inherited piRNAs and histone marks as the basis of Rhino’s specific chromatin occupancy at piRNA source loci. However, these factors are insufficient to explain Rhino’s binding specificity, which implies the existence of other, undiscovered specificity cues. My PhD work uncovered Kipferl, a member of the diverse family of zinc finger associated domain (ZAD)-C2H2 zinc finger proteins, as critical Rhino specificity factor in ovaries. In the absence of Kipferl, Rhino is lost from most of its genomic binding sites, resulting in decreased levels of transposon targeting piRNAs and impaired fertility. Kipferl binds to Guanosine-rich DNA motifs and interacts with the Rhino chromo domain, thereby recruiting Rhino to specific loci. Moreover, Kipferl and Rhino stabilize each other’s chromatin binding and occupy large chromatin domains together. In kipferl mutant flies, Rhino accumulates on pericentromeric Satellite arrays, leading to a characteristic accumulation of Rhino signal at the nuclear envelope of germline nurse cells in immunofluorescence stainings. This redistribution of Rhino to selfish DNA Satellites might indicate a competition for Rhino between different repetitive elements. By guiding Rhino to piRNA clusters and stabilizing it at non-Satellite loci, Kipferl might have evolved to bring balance to the ovarian piRNA pool. Altogether, my findings reveal that DNA sequence, in addition to the H3K9me3 mark, determines the identity of piRNA source loci. Furthermore, they point to the existence of alternative specificity factors acting in different developmental stages of ovarian development as well as in testes, where Kipferl is not expressed and Rhino’s chromatin occupation differs from that observed in ovaries. This work critically advances our understanding of how heterochromatin sub-compartments are specified for HP1 variant protein binding and provides insight into how Rhino might be caught in the crossfire of genetic conflicts.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Drosophila Heterochromatin piRNA Zink Finger Protein Transposon
Schlagwörter
(Englisch)
Drosophila heterochromatin genome defense transposon piRNA pathway zinc finger protein
Autor*innen
Lisa Christine Baumgartner
Haupttitel (Englisch)
Genetic and molecular characterization of the chromatin binding specificity of the HP1 protein variant Rhino
Paralleltitel (Deutsch)
Genetische und molekulare Charakterisierung der Chromatinbindungsspezifität der HP1-Proteinvariante Rhino
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
161 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Madhav Jagannathan ,
Joao Matos
Klassifikationen
42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,
42 Biologie > 42.20 Genetik
AC Nummer
AC16706448
Utheses ID
64827
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 490 |