PhD thesis - University of Veterinary Medicine Vienna - 2023 The full text is only available to university members. Please log in!

Transposable elements (TEs) can make up large proportions of genomes. Nevertheless, a new invasion of such a selfish genetic element is considered a major threat for host organisms. TE invasions and interactions of TEs with the host during this process are poorly characterized. The discovery of the PIWI-Interacting RNA (piRNA) pathway and its importance for TE regulation shed light on the mechanism how host organisms actively defend themselves against these genomic parasites. However, the establishment of the piRNA response to a newly invading TE remains an open question. Based on empirical evidence, it was suggested that TE insertions into piRNA clusters (i.e. major source loci of piRNAs) trigger the production of complementary piRNAs, which is know as the trap model. Despite the importance of those regions, variation in piRNA clusters is sparsely described. Furthermore, it is unclear if the trap model can be applied generally to the silencing by piRNAs. To enhance our understanding of TE invasions, we conducted several studies addressing the variety of questions outlined above. In the first chapter of this thesis, we described a natural invasion of Tirant in Drosophila melanogaster. By comparing the TE content of flies collected at different time points in the past, we found that Tirant probably invaded around 1938. We showed that degraded Tirant piRNAs remaining from a previous Tirant invasion possibly did not protect the flies from the new invasion. Furthermore, we observed that Tasmanian populations display distinct Tirant variants likely resembling a founder effect. These results have important implications for understanding the coevolution between TEs and hosts. In the second chapter, we worked on the quality of TE content in genome assemblies with a special focus on piRNA clusters. The assembly quality is a limiting factor for genomic analysis, such as studies of piRNA cluster variation. We introduced novel metrics that assess the quality of assembled TEs and piRNA clusters. Along standard assembly metrics, we used our novel metrics to identify the assembly approach that yielded the best representation of TEs and piRNA clusters. This study, provides tools and strategies that help to address open questions in TE biology. In the third chapter, we build a framework to investigate the evolution of piRNA clusters and analyzed the variation found within and between species. We used previously introduced quality metrics to recover high quality piRNA cluster sequences and implement a novel approach, called Manna, to compare those sequences. Instead of aligning nucleotide sequences, Manna aligns sequences of TE annotations to quantify the variation in piRNA clusters. We found that piRNA clusters rapidly evolve by large insertions of younger TEs and small deletions of older elements. This finding has important implications for understanding the evolution of host defense against selfish genomic invaders. In the last chapter, we attempted to test the trap model for TE silencing by piRNA clusters. Based on computer simulations of TE invasions under the trap model, we found that TE traps should markedly differ from other regions of the genome. If piRNA clusters are traps, we expect a narrow distribution of the number TE insertions in clusters and no positive correlation between TE abundances inside and outside of clusters. Using three complementary approaches to estimate TE counts in piRNA clusters and the rest of the genome, we tested these predictions in D. melanogaster. We found that the TE composition in piRNA clusters deviates from expectations of TE traps and rather matches predictions of non-trapping regions. These results suggest that piRNA clusters may not always trap TEs. Furthermore, we showed that piRNA source loci outside of piRNA clusters may compensate for missing piRNA cluster insertions. In conclusion, this study provides insights into TE silencing by piRNAs in a population genetics framework and calls for detailed functional characterization of piRNA clusters. To summarize the projects of this thesis, this work contributes novel methodologies and biological insights to the field of TE invasions and TE regulation by piRNAs. It will be interesting to follow the rapidly moving field and see what future research reveals about the coevolution between TEs and hosts.

PhD Arbeit - Veterinärmedizinische Universität Wien - 2023 Aus rechtlichen Gründen sind nicht alle Teile dieser Arbeit frei zugänglich. Der Zugriff auf den elektronischen Volltext ist auf Angehörige der Veterinärmedizinischen Universität Wien beschränkt. Bitte einloggen!

Transponierbare Elemente (TEs) können einen großen Teil des Genomes ausmachen. Trotzdem wird eine neue Invasion solch eines eigennützigen genetischen Elements als eine wesentliche Bedrohung für den Wirtsorganismus angesehen. TE Invasionen und die Interaktionen der TEs mit dem Wirt während dieses Prozesses sind wenig charakterisiert. Die Entdeckung des PIWI Interacting RNA (piRNA) pathways und dessen Wichtigkeit für die TE Regulierung beleuchtete den Mechanismus, wie sich Wirtsorganismen aktiv vor diesen genomischen Parasiten verteidigen. Jedoch bleibt die Entstehung der piRNA Antwort gegen ein neu eindringendes TE eine offene Frage. Basierend auf empirischer Evidenz wurde vorgeschlagen, dass eine TE insertion in ein piRNA-Cluster (d.h. wesentliche Quellorte der piRNAs) die Produktion komplementärer piRNAs auslöst, bekannt als Fallenmodell (Engl. trap model). Trotz der Wichtigkeit dieser Regionen ist die Variationen in piRNA-Cluster spärlich beschrieben. Weiters ist unklar, ob das Fallenmodell auf die Stilllegung der TEs generell angewendet werden kann. Um unser Verständnis über TE Invasionen zu verbessern, führten wir mehrere Studien, die die verschiedenen, oben beschriebenen Fragen behandeln, durch. Im ersten Kapitel dieser Arbeit beschrieben wir eine natürliche Invasion Tirants in Drosophila melanogaster. Durch Vergleichen des TE Gehalts der Fliegen, die in der Vergangenheit zu verschiedenen Zeitpunkten gesammelt wurden, fanden wir, dass Tirant wahrscheinlich um 1938 herum eindrang. Wie zeigten, dass degradierte Tirant piRNAs aus einer früheren Tirant Invasion womöglich die Fliegen vor der neuen Invasion nicht schützten. Weiters beobachteten wir, dass tasmanische Populationen eigene Tirant Varianten aufweisen, was wahrscheinlich einen Gründereffekt darstellt. Diese Ergebnisse enthalten wichtige Implikationen für das Verstehen der Coevolution zwischen TEs und Wirte. Im zweiten Kapitel arbeiteten wir an der Qualität des TE Gehalts in Genome assemblies mit speziellem Fokus auf piRNA-Cluster. Die Assemblyqualität ist ein limitierender Faktor für genomische Analysen, wie Studien zur Variation in piRNA-Cluster. Wir führten neuartige Maße zur Bewertung der Qualität der assemblierten TEs und piRNA-Cluster ein. Zusammen mit Standard-Assemblystatistiken nutzten wir unsere neuen Maße, um jene Herangehensweise zu identifizieren, die die beste Repräsentierung der TEs und piRNA-Cluster erreicht. Diese Studie bietet Mittel und Strategien, die helfen offene Fragen der TE-Biologie zu behandeln. Im dritten Kapitel erstellten wir einen Rahmen zur Untersuchung der Evolution von piRNACluster and analysierten die Variation innerhalb und zwischen Spezies. Wie nutzten die zuvor eingeführten Maße um hochqualitative piRNA-Cluster Sequenzen zu erhalten und implementierten einen neuen Ansatz namens Manna um diese Sequenzen zu vergleichen. Statt eines Alignments der Nukleotidsequenzen, vergleicht Manna die Sequenz der TE Annotationen, um die Variation der piRNA-Cluster zu quantifizieren. Wir entdeckten, dass die piRNACluster rapide durch große Insertionen jüngerer TEs und durch kurze Deletionen älterer Elemente evolvieren. Diese Entdeckung hat wichtige Implikationen für das Verstehen der Evolution der Verteidigung des Wirts gegen eigennützige, genomische Invasoren. Im letzten Kapitel versuchten wir das Fallenmodell für die Stilllegung der TEs durch piRNACluster zu erproben. Basierend auf Computersimulationen von TE-Invasionen unter dem Fallenmodell fanden wir, dass sich TE-Fallen deutlich von anderen Regionen des Genomes unterscheiden sollten. Wenn piRNA-Cluster Fallen sind, erwarten wir eine schmale Verteilung der Anzahl an TE-Insertionen in Cluster und keine positive Korrelation zwischen der TE Häufigkeit inner- und außerhalb von Cluster. Anhand drei komplentärer Ansätze zur Schätzung der TE-Anzahl in piRNA-Cluster und im Rest des Genomes testeten wir dir Vorhersagen in D. melanogaster. Wir fanden, dass die Zusammensetzung der TEs in piRNA-Cluster von den Vorhersagen über TE-Fallen abweicht und eher zu Vorhersagen über genomische Regionen, die TEs nicht einfangen, passen. Diese Ergebnisse legen nahe, dass piRNA-Cluster nicht immer TEs einfangen konnten. Weiters zeigen wir, dass piRNA-Quellorte, die außerhalb von piRNACluster liegen, fehlende Insertionen in piRNA-Cluster kompensieren konnten. Im Fazit bietet diese Studie Einblicke in die TE-Stilllegung durch piRNAs in einem populationsgenetischem Rahmen und ruft nach detaillierter, funktioneller Charakterisierung der piRNA-Cluster. Zusammenfassend tragen die Projekte dieser Arbeit neuartige Methodiken und biologische Einblicke zum Feld der TE-Invasionen und der TE-Regulation durch piRNAs bei. Es wird interessant das sich schnell bewegende Feld mitzuverfolgen, um zu sehen was zukünftige Forschung über die Coevolution zwischen TEs und Wirte aufdeckt.

230 Seiten