Transposon activity and control in the Drosophila melanogaster germline

Abstract

Mobile genetic elements are a fundamental part of our genome. Their presence can provide a rich source of regulatory elements and has a strong impact on genome evolution. Nonetheless, their activity can lead to insertional mutagenesis and thus has to be tightly controlled. Failure to do so can compromise genomic integrity and lead to sterility. Several pathways have evolved that exert this control. Germ cells, as the carriers of the inheritable genome, are protected by a highly conserved small RNA pathway: the piRNA pathway. Argonaute proteins of the Piwi-clade together with their bound small RNAs (the piRNAs) comprise this pathway and target transposable elements for degradation and transcriptional gene silencing. In animals, piRNAs are derived from discrete genomic loci called piRNA clusters. These transposon graveyards act as a molecular memory of all elements an organism or its ancestors were exposed to. In an effort to better understand piRNA mediated resistance against a new invader, we investigated the molecular events that take place upon de novo insertion of any sequence into such a cluster. We sequenced small RNA populations from flies and mice expressing ectopic piRNA clusters tagged with artificial sequences, as well as clusters divorced from their native genomic location. We detect artificial piRNAs against these sequences and at least in one case demonstrate their silencing capabilities. Because little is known about the details of how piRNAs are produced from their precursors, and how mature piRNAs silence transposons, we decided to perform a genome-wide screen for factors involved in these processes. We identified 87 genes that are essential for transposon silencing. Follow up in vivo experiments showed that some of these factors are involved in piRNA biogenesis. Others, such as CG3893 (asterix) have a strong impact on silencing histone marks over transposon loci and may therefore be part of the Piwi-mediated transcriptional silencing complex. Detailed analysis on asterix mutants revealed that knockdown of this gene did not change mature piRNA levels, which together with its nuclear localization points towards an involvement in the effector step of transposon silencing.

Springende genetische Elemente sind ein grundlegender Bestandteil unseres Genoms. Ihre Präsenz und Mobilität kann einen starken Einfluss auf Genregulation und Genomevolution ausüben. Dieser Einfluss kann jedoch auch negative Auswirkungen haben, weshalb Transposons einer strikten zellulären Kontrolle unterliegen. Unkontrollierte Mobilisierung kann die Integrität des Genomes gefährden, zu Mutationen und in extremen Fällen zur Sterilität des Organismus führen. Aus diesen Gründen haben sich mehrere Mechanismen entwickelt, welche die Aktivität von Transposons überwachen. In Keimzellen von Drosophila melanogaster übernehmen diese Rolle kleine RNAs zusammen mit einer Gruppe von evolutionär hochkonservierten Proteinen der Argonaute Klasse: Piwi, Argonaute3 und Aubergine. Diese Enzyme können aktive Transposons anhand der gebundenen kleinen RNA erkennen und konsequenterweise abbauen oder ihre Transkription gänzlich verhindern. Die gebundenen kleinen RNAs, oder Piwi-interagierenden RNAs (piRNAs), werden aus langen, einzelsträngigen RNA Vorläufern gebildet, welche Homologie zu Transposons besitzen. Es ist bislang unklar auf welchem Weg Transposons ihre Sequenzinformation zu diesen sogenannten piRNA Clustern hinzufügen. Um diesen Vorgang besser zu verstehen, haben wir exogene Sequenzen in mehrere solche Cluster inseriert, um zu testen ob diese in kleine RNAs prozessiert werden. Unsere Ergebnisse bestätigen daß dies der Fall ist, selbst wenn der piRNA Cluster von seiner üblichen Umgebung im Genom separiert wird. Auf welcher Weise diese kleinen RNAs aus ihren Vorläufer-Molekülen hergestellt werden und welche Gene an der Biogenese und der daraus folgenden Transposon Kontrolle beteiligt sind ist größtenteils unbekannt. Aus diesem Grund haben wir ein Genom-weites Screening unternommen, um nach Möglichkeit alle an diesen Prozessen beteiligten Gene zu identifizieren. Abschaltung von 87 Genen in einer Zellkultur hergeleitet von Drosophila Follikel Zellen führte zu dramatisch erhöhter Expression von einer Spezialklasse von Transposons. Durch weitere in vivo Experimente konnten wir nachweisen daß mehrere dieser Gene in der piRNA Biogenese beteiligt sind. Andere Gene, wie zum Beispiel CG3893, welches wir asterix tauften, scheinen einen starken Einfluss auf heterochromatische Histon Modifikationen zu haben, welche normalerweise mit stillgelegten Transposons assoziiert sind. Eine detaillierte Charakterisierung von asterix Mutanten zeigte, daß dieses Protein im Nukleus lokalisiert ist, keinen Einfluss auf piRNA Biogenese hat, und deshalb mit hoher Wahrscheinlichkeit zusammen mit Piwi dem transkriptionellen Transposonregulations Komplex angehört.