title: A heterochromatin-specific RNA export pathway facilitates piRNA production in Drosophila melanogaster
Creators: name: Elmaghraby, Mostafa
Publisher: name: :none
Year: 2022

description: Im Schwamm bis zum Menschen sorgen PIWI-interagierende RNAs (piRNAs) für die Spezifität eines Genom-Verteidigungssystems, das die Mobilisierung von transponierbaren Elementen (TE) in tierischen Keimzellen unterdrückt, um die Integrität des Genoms zu erhalten. In Drosophila werden die meisten piRNAs von heterochromatischen, transposonreichen Loci gebildet, die von der Heterochromatin-Protein 1 (HP1) Variante Rhino gebunden werden. Die entstehenden piRNA Vorläufer-Transkripte verlassen den Zellkern und erreichen die zytoplasmatische Maschinerie, die piRNA-Vorläufer-Transkripte in piRNAs mit einer Länge von 23-30 Nukleotiden umwandelt. Daher müssen die piRNA-Vorläufer-Transkripte einen RNA-Exportweg für die piRNA-Produktion nutzen. Der Export von RNA aus dem Zellkern ins Zytoplasma ist ein fundamentaler Prozess in allen Eukaryoten. mRNAs werden durch das heterodimer Nxf1-Nxt1 exportiert. Eine 5'-Kappe, gespleißte Introns und ein polyadenylierter Schwanz dienen als notwendige Kennzeichen reifer, exportkompetenter mRNAs. Der TREX (Transkriptions- und Export)-Komplex integriert diese Reifungskennzeichen und lizensiert das Laden von Nxf1-Nxt1. Im Gegensatz zu reifen mRNAs fehlen bei piRNA-Vorläufer-Transkripte die Merkmale, die sie zum Export qualifizieren. Wie piRNA Vorläufer-Transkripte es schaffen, den Zellkern zu verlassen, war bisher nicht bekannt. In meiner Doktorarbeit habe ich einen speziellen RNA-Exportweg für piRNA Vorläufer-Transkripte entdeckt, der sich um Nxf3-Nxt1, einen Paralog des kanonischen mRNA-Exporters Nxf1-Nxt1, dreht. Nxf3-Nxt1 interagiert mit UAP56, einer TREX-Komponente, und Bootlegger. Nxf3-Nxt1 wird an piRNA-Clustern mit seiner Fracht beladen und benötigt das Exportin Crm1 für den Export. Schließlich akkumulieren Nxf3 und Bootlegger in peri-nukleären Nuage-Granula, was darauf hindeutet, dass sie piRNA Vorläufer-Transkripte zu Verarbeitungsstellen im Zytoplasma transportieren. Durch die Entwicklung eines vielseitigen in vivo RNAi System hat meine Arbeit klare Zusammenhänge zwischen Nxf3-vermitteltem Export und dem essenziellen TREX Komplex bestätigt und erweitert. Meine Entdeckung des Nxf3-Exportweges demonstriert eine Wirtsinnovation im Kontext des Wirts TE-Wettrüstens, das durch a) die Evolution von Nxf3 aus dem angestammten Nxf1-Protein und b) die Umfunktionierung von Wirtsmaschinen (Crm1, TREX) veranschaulicht wird. Die letztgenannte Strategie ist in hohem Maße analog zu retroviralen Exportwegen, die in ähnlicher Weise die Schritte der nuklearen Qualitätskontrolle für den Export ihrer ungespleißten genomischen RNA umgehen.
description: From sponges to humans, PIWI-interacting RNAs (piRNAs) provide specificity to a genome defence system that suppresses transposable element (TE) mobilization in germ cells in order to maintain genome integrity and host fitness. In Drosophila, most piRNAs are derived from heterochromatic, transposon-rich loci specifically bound by the germline-specific Heterochromatin protein 1 (HP1) variant Rhino. The emerging piRNA precursor transcripts exit the nucleus to reach the cytoplasmic machinery which processes piRNA precursors into piRNAs of 23-30 nucleotides. Hence, piRNA precursors must utilize an RNA export route for piRNA production. The transport of RNA from the nucleus to the cytoplasm is a fundamental step in eukaryotic gene expression. mRNAs are exported through the nuclear pore complex by the heterodimeric Nxf1–Nxt1 export receptor. Specific features of an mRNA such as a 5’cap, spliced introns, and a poly-adenylated tail are necessary, quality controllable hallmarks of mature, export-competent mRNAs. The TREX (Transcription and Export) complex integrates these maturation hallmarks and licenses loading of Nxf1-Nxt1 onto the mRNP. Aberrant mRNAs lacking these features, are not specified as export cargo, but instead are degraded by the nuclear RNA surveillance machinery. In contrast to mature mRNAs, piRNA precursors are non-canonical transcripts that lack features qualifying them as export cargo. How piRNA precursors escape nuclear RNA surveillance systems and exit the nucleus was not understood. My PhD work uncovered the existence of a dedicated nuclear export pathway for piRNA precursors in the Drosophila germline. This pathway is centered on Nxf3–Nxt1, a paralogue of the canonical mRNA exporter Nxf1–Nxt1. Nxf3–Nxt1 physically interacts with the previously uncharacterized protein CG13741/Bootlegger and the TREX component UAP56. Nxf3–Nxt1 is loaded with its cargo at genomic piRNA clusters and requires the exportin Crm1 for nuclear exit. Finally, Nxf3 and Bootlegger accumulate in peri-nuclear nuage granules, suggesting that they deliver piRNA precursors to processing sites in the cytoplasm. Through the establishment of a versatile in vivo RNAi toolkit, my work furthermore confirmed and extended physical links between Nxf3-mediated piRNA precursor export and the cell-essential TREX complex. My discovery of the piRNA export pathway represents a clear example of host innovation within the context of the host-TE arms race. This is exemplified by a) the evolution of Nxf3 from the ancestral Nxf1 protein, and b) repurposing of the host machinery (Crm1, TREX) for piRNA export. The latter strategy is analogous to retroviral export pathways, which similarly bypass nuclear quality control steps for exporting their un-spliced genomic RNA.