Universität zu Köln

Pietzenuk, Björn (2015). Repeated evolution of heat responsiveness among Brassicaceae COPIA transposable elements. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Eukaryotic genomes contain repetitive DNA sequences. This includes simple repeats and more complex transposable elements (TEs). Many TEs reach high copy numbers in the host genome, owing to their amplification abilities by specific mechanisms. There is growing evidence that TEs contribute to gene transcriptional regulation. However, excess of TE activity may lead to reduced genome stability. Therefore, TEs are suppressed by the transcriptional gene silencing machinery via specific chromatin modifications. In contrary, effectiveness of the epigenetic silencing mechanisms imposes risk for TE survival in the host genome. Therefore, TEs may have evolved specific strategies for bypassing epigenetic control and allowing the emergence of new TE copies. Recent studies suggested that the epigenetic silencing can be, at least transiently, attenuated by heat stress in A. thaliana. Heat stress induced strong transcriptional activation of COPIA78 family LTR-retrotransposons named ONSEN, and even their transposition in mutants deficient in siRNA-biogenesis. ONSEN transcriptional activation was facilitated by the presence of heat responsive elements (HREs) within the long terminal repeats, which serve as a binding platform for the HEAT SHOCK FACTORs (HSFs). This thesis focused on the evolution of ONSEN heat responsiveness in Brassicaceae. By using whole-transcriptome sequencing approach, multiple Arabidopsis lyrata ONSENs with conserved heat response were found and together with ONSENs from other Brassicaceae were used to reconstruct the evolution of ONSEN HREs. This indicated ancestral situation with two, in palindrome organized, HSF binding motifs. In the genera Arabidopsis and Ballantinia, a local duplication of this locus increased number of HSF binding motifs to four, forming a high-efficiency HRE. In addition, whole transcriptome analysis revealed novel heat-responsive TE families COPIA20, COPIA37 and HATE. Notably, HATE represents so far unknown COPIA family which occurs in several Brassicaceae species but is absent in A. thaliana. Putative HREs were identified within the LTRs of COPIA20, COPIA37 and HATE of A. lyrata, and could be preliminarily validated by transcriptional analysis upon heat induction in subsequent survey of Brassicaeae species. Subsequent phylogenetic analysis indicated a repeated evolution of heat responsiveness within Brassicaceae COPIA LTR-retrotransposons. This indicates that acquisition of heat responsiveness may represent a successful strategy for survival of TEs within the host genome.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Wiederholte evolution von Hitzeresponsivität bei COPIA transposons in Brassicaceaen German
Translated abstract:	Abstract Language Eukaryotische Genome beinhalten sich wiederholende DNA Sequenzen. Dies umfasst einfache Sequenzwiederholungen und die komplexeren Transposons. Aufgrund ihrer Fähigkeit sich durch spezifische Mechanismen selbst zu vervielfältigen, erreichen viele Transposons eine hohe Kopienzahl innerhalb eines Genoms. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, das Transposons auch einen Einfluss auf die transkriptionelle Genregulierung haben können. Jedoch kann die Aktivität von Transposons zu einer verringerten Genomstabilität führen. Deshalb werden Transposons durch transkriptionelle Gen-Stilllegung (TGS) mittels spezifischer Chromatinmodifikationen gehemmt. Dahingegen führt die Effektivität der epigenetischen Stilllegung zu einer Gefährdung des Überlebens eines Transposons im Wirtsgenom. Deswegen haben Transposons möglicherweise spezifische Strategien entwickelt um die epigenetische Kontrolle zu umgehen, das Ihnen erlaubt neue Kopien zu erstellen. Kürzlich veröffentlichte Studien in A. thaliana deuteten an, dass die epigenetische Stilllegung, zumindest vorrübergehend, durch Hitzestress geschwächt werden kann. Hitzestress induziert eine starke transkriptionelle Aktivität der LTR-retrotransposons aus der COPIA78 Familie namens ONSEN und führt sogar zu dessen Transposition in siRNA Biosynthese Mangelmutanten. Die transkriptionelle Aktivierung von ONSEN wurde ermöglicht durch die Anwesenheit von sogenannten „heat responsive elements“ (HRE) innerhalb der langen terminalen Sequenzwiederholungen (LTR), die als Bindeplattform dienen für Hitzeshock-Transkriptionsfaktoren (HSF). Diese Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Evolution der durch Hitze induzierten Aktivierung von ONSEN in Brassicaceae. Durch die Verwendung der „Gesamt-Transkriptom-Shotgun-Sequenzierung“-Methode wurden mehrere ONSEN mit konservierter Hitzeinduzierbarkeit in Arabidopsis lyrata gefunden und zusammen mit ONSEN von anderen Brassicaceae dazu verwendet die Evolution von ONSEN HRE zu rekonstruieren. Dies deutete auf eine ursprüngliche Situation mit zwei, zu einem Palindrom angeordneten, HSF-Bindemotiv hin. Eine lokale Duplikation dieses Sequenzabschnittes, in den Genera Arabidopsis und Ballantinia, erhöhte die Anzahl der HSF-Bindemotive, was zur Ausprägung eines HRE mit hoher Bindungseffizienz führte. Zusätzlich konnte durch die Analyse der Gesamt-Transkriptom-Shotgun-Sequenzierung, die neuen hitzeinduzierbaren Transposonfamilien COPIA20, COPIA37 und HATE gefunden werden. Insbesondere HATE repräsentiert dabei eine neue bisher unbekannte COPIA-Familie, welche in einigen Brassicaceae auftritt, aber in A. thaliana fehlt. Mögliche HRE wurden in den LTRs von COPIA20, COPIA37 und HATE in A. lyrata entdeckt und konnten bei anschließender Prüfung in Brassicaceae Arten vorläufig durch eine Transkriptionsanalyse auf Hitzeinduzierbarkeit bestätigt werden. Eine anschließende phylogenetische Analyse deutete auf eine wiederholte Evolution der Hitzeinduzierbarkeit von COPIA LTR-Retrotransposons innerhalb der Brassicaceae hin. Dies wiederrum deutet darauf hin, dass der Erwerb von Hitzeinduzierbarkeit eine erfolgreiche Strategie zum Überleben von Transposons im Wirtsgenom ist. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Pietzenuk, Björn pietzenuk@mpipz.mpg.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-66559
Date:	2015
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Außeruniversitäre Forschungseinrichtungen > MPI for Plant Breeding Research
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Transposable elements; Evolution, plant stress; plant stress response English Transposons, Evolution, pflanzenstress, stressantwort German
Date of oral exam:	29 October 2015
Referee:	Name Academic Title Koornneef, Maarten Prof. Dr. Tresch, Achim Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6655