27nt-RNAの発生制御機構のバイオジェネシス -コードRNAはノンコードRNAに変わるか？

Biogenesis of Developmental Master Regulatory 27nt-RNAs in -Can Coding RNA Turn into Non-Coding?

• Jan Postberg
• Patrick Philipp Weil
• Anton Pembaur

抄録

繊毛動物では、体性小核は性生殖の過程で生殖小核から分化し、それに伴って発生配列が減少します。それと同時に、小核の95%以上の配列は、ヒストンバリアントH3.4とH3K27me3によって特徴づけられるヘテロクロマチン構造を採用しています。RNAi関連遺伝子とヒストンバリアントは、発生的に発現する遺伝子のリストを支配しています。同時に、新しい小核に保持された配列と一致する27nt-ncRNAが合成され、PIWI1によって結合される。最近、私たちは「RNA-induced DNA replication interference」(RIRI)のメカニズムモデルを提案しました。多染色体形成時には、PIWI1/27nt-RNA複合体が小核に保持された配列(MDS)を塩基対合により標的とし、一時的に局所的に複製を停止させます。複製が進行している多染色体セグメントでは、H3.4K27me3-ヌクレオソームが選択的に沈着し、これらの領域のヘテロクロマチン構造が決定される。その結果、これらの小核特異的配列は分解され、27nt-RNAで覆われた部位は保護されたままである。しかし、27nt-RNAがどのようにして生合成されるのかは不明である。これまでに、繊毛虫の27nt-RNA前駆体は、テロメアを主成分とするナノクロモソームの双方向転写とそれに続くDicer-like (DCL)活性に由来するのではないかと提案されていたが、そのようなことはなかった。最小限の説明として、我々は、27nt-RNA前駆体はむしろmRNAまたはプレmRNAである可能性があること、そして、親の小胞体から早発小胞体で作用するノンコーディングRNAへのコーディングRNAの移行は、DCL依存性経路の前にdsRNA中間体を生成するRNA依存性RNAポリメラーゼ(RDRP)活性が関与している可能性があることをここで提案します。興味深いことに、このようなメカニズムにより、親の体細胞ゲノムの分割や、特定のナノクロモソームのコピー数が、子孫の分化核に垂直に伝達される可能性がある。

In the ciliate somatic macronuclei differentiate from germline micronuclei during sexual reproduction, accompanied by developmental sequence reduction. Concomitantly, over 95% of micronuclear sequences adopt a heterochromatin structure characterized by the histone variant H3.4 and H3K27me3. RNAi-related genes and histone variants dominate the list of developmentally expressed genes. Simultaneously, 27nt-ncRNAs that match sequences retained in new macronuclei are synthesized and bound by PIWI1. Recently, we proposed a mechanistic model for 'RNA-induced DNA replication interference' (RIRI): during polytene chromosome formation PIWI1/27nt-RNA-complexes target macronucleus-destined sequences (MDS) by base-pairing and temporarily cause locally stalled replication. At polytene chromosomal segments with ongoing replication, H3.4K27me3-nucleosomes become selectively deposited, thus dictating the prospective heterochromatin structure of these areas. Consequently, these micronucleus-specific sequences become degraded, whereas 27nt-RNA-covered sites remain protected. However, the biogenesis of the 27nt-RNAs remains unclear. It was proposed earlier that in stichotrichous ciliates 27nt-RNA precursors could derive from telomere-primed bidirectional transcription of nanochromosomes and subsequent Dicer-like (DCL) activity. As a minimalistic explanation, we propose here that the 27nt-RNA precursor could rather be mRNA or pre-mRNA and that the transition of coding RNA from parental macronuclei to non-coding RNAs, which act in premature developing macronuclei, could involve RNA-dependent RNA polymerase (RDRP) activity creating dsRNA intermediates prior to a DCL-dependent pathway. Interestingly, by such mechanism the partition of a parental somatic genome and possibly also the specific nanochromosome copy numbers could be vertically transmitted to the differentiating nuclei of the offspring.