Regulation of endogenous genes by sexually dimorphic piRNA expression during germline development in C. elegans

线虫种系发育过程中性二态性 piRNA 表达对内源基因的调节

基本信息

  • 批准号:
    10389801
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 4.68万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-06-01 至 2025-05-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

PROJECT ABSTRACT Small RNAs – short, noncoding RNAs – are critical regulators in animal physiology and disease that silence gene expression by complementary base pairing interactions to control mRNA stability/translation and epigenetic modifications. Small RNA-mediated silencing pathways are evolutionarily conserved, and the largest class of small RNAs comprise Piwi-interacting RNAs (piRNAs). Extensive studies in fly established that piRNAs silence transposons and are expressed in a sex-specific manner; piRNAs are essential for genome integrity and germline development. However, most piRNAs in mammals and worm do not map to transposons, and instead are predicted to regulate germline-expressed genes. Although novel associations of individual piRNAs with endogenous genes have been reported, endogenous gene targets of piRNAs remain largely unknown. In C. elegans, each of the ~15,000 piRNAs is autonomously transcribed and contains an upstream cis- regulatory element, the Ruby motif. We found piRNAs are differentially expressed during spermatogenesis and oogenesis, and male piRNAs have a strong bias for the 5’C nucleotide in the Ruby motif. Furthermore, we identified SNPC-1.3 as a sex-specific transcription factor critical for male fertility. SNPC-1.3 depends on a known core piRNA biogenesis factor, SNPC-4, to drive male piRNA expression during spermatogenesis. Loss of snpc- 1.3 during spermatogenesis results in global depletion of male piRNAs and sperm maturation defects. Other piRNA biogenesis factors have been identified, but how these trans-acting factors interact with each other and the Ruby motif is poorly understood. In this proposed research, I hypothesize that sex-specific regulatory mechanisms underlie piRNA expression to regulate endogenous genes critical for proper germline development. To test my hypothesis in the context of spermatogenesis, in Aim 1 I will use a recently developed strategy Cleavage Under Targets and Release Using Nuclease (CUT&RUN) to characterize protein-DNA binding profiles of 5 piRNA biogenesis trans- acting factors at the Ruby motif cis-regulatory element. Furthermore, I will determine if the 5’ C nucleotide in the Ruby motif acts as a male specific element for SNPC-1.3. I will also use computational tools to identify putative, novel cis-regulatory elements for male and female piRNAs. In Aim 2, I will computationally identify endogenous gene targets of male piRNAs from small RNA-seq and mRNA-seq in wild-type and snpc-1.3(-) animals as well as piRTarBase, a database of computationally predicted and experimentally identified piRNA targeting sites. I will experimentally validate male piRNAs and their predicted endogenous gene targets using reporter assays for endogenous and synthetic piRNAs and applying CRISPR/Cas9-mediated mutagenesis of piRNAs or their targets. Collectively, this research will strengthen our understanding of how sex-specific piRNA expression is transcriptionally regulated and provide new insights into biological roles of piRNAs beyond transposon silencing.
项目摘要 小型RNA - 简短,非编码RNA - 是动物生理和疾病中关键的调节剂 通过完整的基础配对相互作用来控制mRNA稳定/翻译和表观遗传学的基因表达 修改。小型RNA介导的沉默途径在进化上是保守的,是最大的一类 小RNA包含PIWI相互作用RNA(PIRNA)。 Fly的广泛研究确定了Pirnas Silhouette 转座子并以性别特定的方式表达; PIRNA对于基因组完整性至关重要 种系开发。但是,哺乳动物和蠕虫中的大多数PIRNA都不映射到转座子,而是 预计将调节种系表达的基因。尽管单个PIRNA与 据报道,内源性基因,PIRNA的内源基因靶标在很大程度上未知。 在秀丽隐杆线虫中,约有15,000 piRNA中的每一个都是自主转录的,并包含上游顺式。 调节元件,红宝石主题。我们发现,在精子发生过程中,PIRNA的表达方式有所不同。 卵子发生和雄性PIRNA对红宝石基序中的5'C核苷酸具有很大的偏见。此外,我们 将SNPC-1.3鉴定为针对男性生育至关重要的性别特异性转录因子。 SNPC-1.3取决于已知的 核心PIRNA生物发生因子SNPC-4,可在精子发生过程中驱动雄性PIRNA的表达。损失SNPC- 1.3在精子发生过程中,雄性PIRNA和精子成熟缺陷的全球耗竭。其他 已经鉴定出了PIRNA生物发生因子,但是这些反式作用因子如何相互相互作用,并且 红宝石图案对此很了解。 在这项拟议的研究中,我假设性别特定的调节机制是pirna的基础 表达调节内源性基因对于适当的种系发育至关重要。测试我在 精子发生的背景,在目标1中,我将在目标和 使用核酸酶(切割和运行)释放以表征5 piRNA生物发生的蛋白质-DNA结合谱 Ruby Motif顺式调节元件的作用因子。此外,我将确定是否在 红宝石主题充当SNPC-1.3的男性特异性元素。我还将使用计算工具来识别推定的, 男性和雌性PIRNA的新型顺式调节元素。在AIM 2中,我将在计算上识别内源性 野生型和SNPC-1.3( - )动物中的小RNA-seq和mRNA-Seq的雄性PIRNA的基因靶标也 作为Pirtarbase,一个计算的数据库进行了预测和实验鉴定的PIRNA靶向位点。我 将使用记者测定法进行实验验证雄性PIRNA及其预测的内源基因靶标 内源性和合成PIRNA,并应用piRNA或其其crispr/cas9介导的诱变 目标。总的来说,这项研究将加强我们对性别特异性pirna表达方式的理解 在转录调节中,并提供了对piRNA的生物学作用的新见解,而不是转座子沉默。

项目成果

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