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Main Title: Spatiotemporal RNA expression in the Caenorhabditis elegans germline
Translated Title: Raumzeitliche RNA-Expression in der Caenorhabditis elegans Keimbahn
Author(s): Diag, Asija
Advisor(s): Rajewsky, Nikolaus
Referee(s): Rappsilber, Juri
Rajewsky, Nikolaus
Tursun, Baris
Junker, Jan Philipp
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Spatiotemporally-restricted RNA expression is a crucial, conserved mechanism for maintaining tissue viability, morphology, and integrity. In particular, localization of RNA molecules to subcellular compartments is a prevalent mechanism for regulating the balance between cell proliferation and differentiation during development. Perturbations in the regulation of this balance are often associated with developmental defects and diseases such as cancer. However, our understanding of how spatiotemporal distribution of RNAs shapes cell proliferation and differentiation is still limited. In this study, we used the Caenorhabditis elegans hermaphrodite germline as an in vivo model for proliferation and differentiation. We adapted and optimized a cryo-cut-sequencing technique to determine, at near single cell resolution, RNA expression as a function of position along the germline. With this technique, we detected and quantified over 10,000 mRNAs and over 300 miRNAs but also numerous putative novel miRNAs and novel 3’ UTR isoforms. Most of these RNAs displayed highly organized localization patterns. Interestingly, not only mRNAs and miRNAs but also endogenous siRNAs and piRNAs exhibited distinct localization patterns. In addition, we showed that the spatiotemporal gene expression was strongly perturbed in the tumorous and solely proliferating gld-2 gld-1 double mutant germline indicating the importance of mRNA localization in maintaining the balance between proliferation and differentiation. Moreover, by comparing the gene expression of wild type and mutant, we identified PIE-1, a transcriptional repressor, as a potential key player in maintaining and regulating the spatiotemporal gene expression. Furthermore, we showed that differential 3’ UTR usage, a key mechanism in regulating gene expression in space and time, is a common phenomenon along the germline. Surprisingly, the spatiotemporal regulation of the 3’ UTR choice was significantly disrupted in the gld-2 gld-1 mutant. Our data suggests that cpsf-4 and fipp-1 are involved in the regulation of differential 3’ UTR usage for almost 1,000 genes in the germline. Finally, we constructed a physical 3D germline model that integrates our data providing a user-friendly interface for exploring spatiotemporally-restricted RNA expression during germ cell proliferation and differentiation (https://shiny.mdc-berlin.de/spacegerm/).
Raumzeitlich beschränkte RNA-Expression ist ein zentraler, konservierter Mechanismus, welcher zum Erhalt von Gewebsfunktionen, -morphologie und -integrität dient. Während der Entwicklung ist die Lokalisierung von RNA-Molekülen in subzellulären Kompartimenten ein weitverbreiteter Mechanismus zur Regulation des Gleichgewichts von Zell-Proliferation und -Differenzierung. Eine Störung in der Regulation dieses Gleichgewichts ist häufig mit Entwicklungsdefekten und Krankheiten wie zum Beispiel Krebs assoziiert. Allerdings ist unser Wissen darüber, wie raumzeitliche Verteilung von RNAs die Zell-Proliferation und -Differenzierung beeinflusst, limitiert. In dieser Studie verwendeten wir die Keimbahn des Fadenwurms Caenorhabditis elegans, welches ein in-vivo-System zur Untersuchung von Proliferation und Differenzierung darstellt. Wir haben eine auf Kryoschnitten basierende Sequenzierungstechnik etabliert und optimiert, um RNA-Expression in nahezu Einzelzell-Auflösung und in Abhängigkeit von der Position entlang der Keimbahn darzustellen. Mit dieser Technik haben wir über 10,000 mRNAs und über 300 miRNAs, aber auch potentiell neue miRNAs und neue 3‘ UTR Isoformen detektiert und quantifiziert. Die meisten dieser RNAs wiesen hoch organisierte Lokalisierungsmuster auf. Interessanterweise waren nicht nur mRNAs und miRNAs lokalisiert, sondern auch endogene siRNAs und piRNAs. Zusätzlich haben wir gezeigt, dass die raumzeitliche Genexpression in der tumorösen und nur proliferierenden gld-2 gld-1 Doppelmutante stark gestört war, was die Wichtigkeit der mRNA-Lokalisierung für den Erhalt des Proliferations- und Differenzierungs-gleichgewichts unterstreicht. Darüber hinaus haben wir durch den Vergleich der Genexpression von Wildtyp und Mutante das PIE-1 Protein, welches ein Repressor der Transkription ist, als mögliches Schlüsselmolekül für den Erhalt und die Regulation der raumzeitlichen Genexpression identifiziert. Zusätzlich haben wir gezeigt, dass differenzielle 3‘ UTR-Nutzung, welche einen Schlüsselmechanismus zur Regulation der Genexpression in Raum und Zeit darstellt, ein häufiges Phänomen entlang der Wildtyp-Keimbahn ist. Erstaunlicherweise war die raumzeitliche Regulation der 3‘ UTR-Wahl in der gld-2 gld-1-Mutante signifikant gestört. Unsere Daten suggerieren, dass cpsf-4 und fipp-1 an der Regulation der differenziellen 3‘ UTR-Nutzung von fast 1,000 Genen in der Keimbahn beteiligt sind. Abschließend haben wir ein physikalisches 3-D-Keimbahn-Modell erstellt, welches unsere ganzen Daten integriert und somit ein benutzerfreundliches Interface für die Erforschung von raumzeitlicher RNA-Expression während der Keimzellen-Proliferation und -Differenzierung darstellt (https://shiny.mdc-berlin.de/spacegerm/).
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/10560
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-9489
Exam Date: 3-Sep-2019
Issue Date: 2020
Date Available: 16-Jan-2020
DDC Class: 570 Biowissenschaften; Biologie
Subject(s): C. elegans
germline development
posttranscriptional gene regulation
spatiotemporal RNA expression
cell proliferation
cell differentiation
Keimbahn-Entwicklung
posttranskriptionelle Genregulation
raumzeitliche RNA-Expression
Zellproliferation
Zelldifferenzierung
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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