Analysis of the variation in piRNA expression across three Mus species

Abstract

Piwi-interacting RNAs (piRNAs) are small non-coding RNAs expressed in the germline of most animals whose main function is to silence transposable elements (TEs) through base-pair complementarity. In the current work, we studied the piRNA expression and its variation in the male germ line of three closely related Mus species, providing the first small RNA datasets in two of these species. In addition, we evaluated factors that could influence piRNA expression and its diversity between species. First, we confirmed that our sequencing data was enriched in piRNAs. We also developed an approach to minimize length differences between orthologous regions that allowed performing multi-species differential expression analyses. In summary, we found that the piRNA-producing loci (piRNA clusters) and its expression have great differences between species. On the other hand, the most conserved piRNA clusters across species were those with higher expression of piRNAs. Finally, although we could not find significant associations between TEs and piRNA expression, we provide some examples consistent with a model where TE insertions alter production of piRNAs. Our results suggest that presence of transposon insertions may be the origin of a subset of new piRNA clusters. However, there must be additional factors explaining the piRNA diversity between species. Thus far, this has been the first piRNA study comparing closely related species within the mammalian clade and it is a first step towards unravelling the mechanisms by which piRNA-producing genes evolve.

Els ARN associats a Piwi (piRNAs) son ARN petits no codificants que s'expressen a la línia germinal de la major part d'animals i la seva funció principal és silenciar els transposons per mitjà de complementarietat de bases. En aquest treball hem estudiat l'expressió de piRNAs i la seva variació en la línia germinal de mascles de tres espècies del gènere Mus, incloent les primers dades d'ARN petits de testicles en dues d'aquestes. Hem avaluat factors que poguessin influir en l'expressió de piRNAs i la seva diversitat entre espècies. Primerament, hem confirmat que les dades de seqüenciació estaven enriquides en piRNAs i hem desenvolupat un mètode per minimitzar les diferències de longitud entre ortòlegs i poder realitzar anàlisis d'expressió diferencial amb diverses espècies. Resumidament, hem vist que els loci productors de piRNA (piRNA clusters) i la seva expressió tenen grans diferències entre espècies. D'altra banda, els piRNA clusters que produeixen més piRNAs són els més conservats entre espècies. Finalment, si bé no hem trobat associacions significatives globals entre la presència de transposons i l'expressió dels piRNA clusters, hem proporcionat exemples consistents amb un model on els transposons alteren la producció de piRNAs. En resum, els resultats suggereixen que els transposons poden explicar l'origen d'alguns piRNA clusters, encara que hi ha d'haver senyals addicionals que expliquin la variació dels piRNAs entre espècies. Fins al moment, aquest ha sigut el primer estudi sobre piRNAs comparant espècies de mamífers estretament relacionades i és un pas per desxifrar els mecanismes d'evolució dels gens productors de piRNAs.

Los ARNs que interactúan con Piwi (piRNAs) son pequeños ARNs no codificantes que se expresan en la línea germinal de la mayoría de los animales y cuya función principal es silenciar elementos transponibles (TEs) a través de la complementariedad de pares de bases. En el presente trabajo, estudiamos la expresión de los piRNAs y su variación en la línea germinal masculina de tres especies de Mus estrechamente relacionadas, proporcionando los primeros conjuntos de datos de ARN pequeños en dos de estas especies. Además, evaluamos los factores que podrían influir en la expresión de piRNA y su diversidad entre especies. En primer lugar, confirmamos que nuestros datos de secuenciación estaban enriquecidos en piRNAs. También desarrollamos un enfoque para minimizar las diferencias de longitud entre regiones ortólogas que permitió realizar análisis de expresión diferencial multiespecie. En resumen, encontramos que los loci productores de piRNAs (clusters de piRNAs) y su expresión tienen grandes diferencias entre especies. Por otro lado, los clusters de piRNAs más conservados entre especies eran los que tenían una mayor expresión de piRNAs. Por último, aunque no pudimos encontrar asociaciones significativas entre los TEs y la expresión de piRNAs, proporcionamos algunos ejemplos consistentes con un modelo en el que las inserciones de TEs alteran la producción de piRNAs. Nuestros resultados sugieren que la presencia de inserciones de transposones puede ser el origen de un subconjunto de nuevos grupos de piRNAs. Sin embargo, debe haber factores adicionales que expliquen la diversidad de piRNAs entre especies. Hasta el momento, este ha sido el primer estudio de piRNA que compara especies estrechamente relacionadas dentro del clado de los mamíferos y es un primer paso para desentrañar los mecanismos por los que evolucionan los genes productores de piRNA.