title: On piRNAs and PIWI proteins in Schmidtea mediterranea and their role in mRNA surveillance of adult stem cells
Creators: name: Kim, Iana
Publisher: name: University of Bayreuth
Year: 2020
Subjects: subject: piRNAs
subject: PIWI proteins
subject: planarian flatworms
subject: Schmidtea mediterranea
subject: stem cells
subject: neoblasts
subject: 500
subject: 570

description: PIWI-Proteine nutzen kleine RNAs, sogenannte piRNAs, um Transposons abzubauen und damit die Integrität des Genoms der tierischen Keimbahn zu schützen. In dem zu den Planarien zugehörenden Plattwurm Schmidtea mediterranea sind PIWI-Proteine für dessen faszinierende Regenerationsfähigkeit und das Überleben der Tiere unerlässlich. Die Regenerationsfähigkeit von S. mediterranea beruht dabei auf adulten Stammzellen, sogenannten Neoblasten. In Neoblasten werden drei SMEDWI-Proteine exprimiert, wobei nur zwei - SMEDWI-2 und -3 – essentiell für die Tiere und deren Regeneration sind. Diese Studie konzentriert sich auf die Charakterisierung des piRNA-Weges in Planarien und auf das Verständnis der wesentlichen Funktionen von piRNAs in der Biologie der Neoblasten. Um einen Einblick in die piRNA-Maschinerie zu erhalten, wurde eine Kombination aus Immunfärbungen und der Sequenzierung immunpräzipitierter piRNAs verwendet. Die gewonnenen Daten zeigen, dass piRNAs im Genom von Planarien hauptsächlich in einzelsträngigen Clustern kodiert werden. Des Weiteren entdeckten wir zwei funktionell unterschiedliche Klassen von piRNAs in Planarien: piRNAs, die Sequenzen von Transposons (TE) aufweisen sowie solche, die aus Sequenzen protein-kodierender Gene bestehen. TE-basierte piRNAs werden während des post-transkriptionellen Abbaus von TE-Transkripten in einem heterotypischen Ping-Pong-Zyklus produziert, der überwiegend mithilfe von SMEDWI-2 und SMEDWI-3 betrieben wird. Von Genen abstammende piRNAs hingegen werden in einem homotypischen Ping-Pong-Zyklus von SMEDWI-3 hergestellt. Weitere Untersuchungen an SMEDWI-3-interagierenden Transkripten unter Verwendung einer Kombination aus RNA-Seq, HITS-CLIP, CLASH-Seq und Degradome-Seq zeigten die Beteiligung der piRNA-Maschinerie am mRNA-Umsatz in Neoblasten. Unsere Ergebnisse zeigen insbesondere, dass eine Klasse von mRNAs im homotypischen Ping-Pong-Zyklus durch SMEDWI-3 abgebaut wird, während eine andere Klasse von Transkripten eine SMEDWI-3-vermittelte endonukleolytische Spaltung und Prozessierung in piRNAs vermeidet. Die zwei von uns entdeckten Modi der Aktivität von SMEDWI-3 werden durch das Ausmaß an Komplementarität zwischen Ziel-Transkript und PIWI-geladener piRNA reguliert. Im Falle einer nicht perfekten Komplementarität der piRNA zur Ziel-mRNA, insbesondere in der Region nahe der nukleolytischen Spaltstelle (zwischen Nukleotid 10 und 11), ist der Abbau der erkannten mRNA durch SMEDWI-3 nicht möglich. Im Falle nahezu perfekter Komplementarität von piRNA und mRNA wird die Ziel-mRNA gespalten. Die weitere Analyse von mRNAs, die durch piRNAs abgebaut werden, zeigten das Vorhandensein eines aktiven piRNA-Pfades in epidermalen Zellen, in denen diese Transkripte wahrscheinlich als piRNAs-Vorläufer verwendet werden. Insgesamt charakterisiert die vorliegende Arbeit den piRNA-Weg in Neoblasten von S. mediterranea. Darüber hinaus entdeckt diese Arbeit einen somatische piRNA-Weg in epidermalen Zellen, der nur unter Verwendung von SMEDWI-2 abläuft. Sie schlägt zudem einen piRNA-Weg in neuronalen Zellen vor, in denen wir zwei SMEDWI-Proteine - SMEDWI-2 und -3 - entdeckten. Der piRNA-Weg in Planarien ist funktionell auf die Stilllegung von Transposons ausgerichtet, beteiligt sich jedoch auch am Abbau bestimmter mRNAs in Neoblasten. Darüber hinaus wurden in dieser Arbeit zahlreiche biochemische und Hochdurchsatz-Techniken für deren Einsatz in Planarien angepasst. Insgesamt stellt diese Studie deshalb eine enorme Erweiterung unserer Kenntnisse über die Rolle von PIWI-Proteinen und piRNAs bei der Regeneration von Süßwasser-Planarien der Spezies Schmidtea mediterranea dar.