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 RNA(短的非编码 RNA)是动物生理学和疾病的关键调节因子,可抑制 通过互补碱基配对相互作用来控制 mRNA 稳定性/翻译和表观遗传的基因表达 小RNA介导的沉默途径在进化上是保守的,并且是最大的一类。 小 RNA 包括 Piwi 相互作用 RNA (piRNA),对果蝇的广泛研究证实 piRNA 沉默。 转座子并以性别特异性方式表达;piRNA 对于基因组完整性至关重要; 然而,哺乳动物和蠕虫中的大多数 piRNA 并不映射到转座子,而是映射到转座子。 尽管单个 piRNA 与种系表达基因之间存在新的关联,但预计它们会调节种系表达的基因。 内源基因已有报道,但 piRNA 的内源基因靶点仍然很大程度上未知。 在秀丽隐杆线虫中,大约 15,000 个 piRNA 中的每一个都是自主转录的,并且包含一个上游顺式- 我们发现 piRNA 在精子发生过程中表达差异。 卵子发生过程中,雄性 piRNA 对 Ruby 基序中的 5'C 核苷酸有很强的偏向性。此外,我们 确定 SNPC-1.3 是对男性生育力至关重要的性别特异性转录因子 SNPC-1.3 取决于已知的已知因素。 核心 piRNA 生物发生因子 SNPC-4,在精子发生过程中驱动雄性 piRNA 表达。 1.3 精子发生过程中导致男性 piRNA 整体耗尽和精子成熟缺陷。 piRNA 生物合成因子已被鉴定,但这些反式作用因子如何相互作用以及 人们对 Ruby 主题知之甚少。 在这项拟议的研究中,我发现 piRNA 背后的性别特异性调控机制 表达来调节对正常种系发育至关重要的内源基因,以检验我的假设。 在精子发生的背景下,在目标 1 中,我将使用最近开发的策略 Cleavage Under Targets 和 使用核酸酶 (CUT&RUN) 表征 5 个 piRNA 生物发生反式的蛋白质-DNA 结合谱 此外,我将确定 Ruby 基序顺式调控元件中的 5'C 核苷酸是否起作用。 Ruby 主题充当 SNPC-1.3 的男性特定元素,我还将使用计算工具来识别假定的、 男性和女性 piRNA 的新型顺式调控元件 在目标 2 中,我将通过计算识别内源性。 野生型和 snpc-1.3(-) 动物中小 RNA-seq 和 mRNA-seq 的雄性 piRNA 的基因靶标 作为 piRTarBase,一个通过计算预测和实验确定的 piRNA 靶向位点的数据库。 将使用报告基因分析实验验证雄性 piRNA 及其预测的内源基因靶标 内源和合成的 piRNA 以及应用 CRISPR/Cas9 介导的 piRNA 或其诱变 总的来说,这项研究将加深我们对性别特异性 piRNA 表达的理解。 转录调控,并为 piRNA 除了转座子沉默之外的生物学作用提供了新的见解。

项目成果

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