RNA isoform analyses of Drosophila Dscam gene and Xenopus tropicalis clustered Protocadherin genes provide insights for neuronal self-avoidance

Abstract

The enormous isoform diversities of Drosophila Dscam gene and Xenopus tropicalis (Xtro) clustered Protocadherin (cPcdh) genes are generated from RNA alternative splicing, and play profound roles in neuronal self-avoidance. In Drosophila, although appreciated as important, the Dscam isoform expression pattern at the global level still remained unexplored. Here we developed a novel method that allows for direct quantification of Dscam isoforms expressing patterns from over hundreds of millions of Dscam transcripts in one sequencing run. With such sequencing depth, we detected the expression of 18,496 isoforms, out of 19,008 theoretically possible combinations. Importantly, we demonstrated that alternative splicing between different clusters is independent. Moreover, the isoforms expressed across a broad dynamic range, with significant biases in cell/tissue and developmental stage specific patterns. Hitherto underappreciated, such bias can dramatically reduce the ability of neurons to display unique surface receptor codes. Therefore, the seemingly excessive diversity encoded in the Dscam locus might be essential for a robust self and non-self discrimination in neurons. In vertebrates, cPcdh serves as counterpart as Dscam in Drosophila, and the function of cPcdh genes in neuronal self-avoidance is considered conserved across vertebrates. Xtro is a powerful and convenient model organism for studies of neuron development. However, the annotation of cPcdh genes in Xtro genome is still incomplete. Here by full-length 5’RACE sequencing, we refined and characterized the annotations of the Xtro cPcdh genes in details. In total, three cPcdh clusters, with at least 98 variable exons, were identified, demonstrating the genome duplication and expansion of Xtro cPcdh loci. Interestingly, one novel cPcdh γ1 CE isoform we identified may serve a species-specific function for Xtro neuronal development. Our annotations for Xtro cPcdh genes provide a valuable resource for their future functional characterization.

Die große Isoformenvielfalt des Drosophila Dscam Gens und der Xenopus tropicalis (Xtro) clustered Protocadherin (cPcdh) Gene werden durch alternatives Spleißen gebildet. Sie spielen eine wichtige Rolle in der neuronalen Selbstvermeidung (neuronal self-avoidance). Obwohl es als wichtig erachtet wird, sind die Dscam Isoformexpressionsmuster von Drosophila noch nicht umfassend aufgeklärt. In diesem Projekt wurde eine neue Methode entwickelt, die es ermöglicht die über hundert Millionen Dscam Transkripte, die durch alternatives Spleißen gebildet werden, in einem Sequenzierungslauf zu analysieren. Mit dieser Methode konnten wir 18.496 von rechnerisch 19.008 möglichen Isoformen detektieren. Dabei konnte als wichtiges Ergebnis gezeigt werden, dass alternatives Spleißen unabhängig von den unterschiedlichen Exon- Clustern ist. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass die Isoformen mit einem breiten dynamischen Spektrum exprimiert werden. Zellen, Gewebe und ganze Fruchtfliegen in unterschiedlichen Entwicklungsstadien werden mit signifikanter Verzerrung in spezifischen Mustern exprimiert. Solche Verzerrung können die Möglichkeit der Neuronen einzigartige Oberflächenrezeptor-Codes zu bilden reduzieren. Deshalb ist die scheinbar große Isoformenvielfalt im Dscam Genort für eine stabile Selbstdiskriminierung (self/non-self discrimination) der Neuronen dennoch notwendig. In Wirbeltieren hat cPcdh eine ähnliche Funktion wie Dscam in Drosophila. Diese Funktion der cPcdh-Gene in der neuronalen Selbstvermeidung ist konserviert in allen Wirbeltierarten. Xtro ist ein guter geeigneter Modelorganismus für Untersuchungen der neuronalen Entwicklung. Dennoch ist die Annotation der cPcdh-Gene im Xtro-Genom immer noch unvollständig. In diesem Projekt konnte mit Hilfe von full-length 5’RACE Sequenzierung diese Annotation vollständig und detailliert aufgeklärt werden. Es konnten drei cPcdh Gen-Cluster mit insgesamt mindestens 98 variablen Exons identifiziert werden, welche die genomische Duplikation und Expansion von Xtro cPcdh Genorten zeigt. Besonders interessant ist die cPcdh γ1 CE Isoform, die erstmals identifiziert werden konnte. Sie könnte eine artenspezifische Funktion für die neuronale Entwicklung von Xtro haben. Die gewonnenen Annotationen für die Xtro cPcdh-Gene bieten einen guten Ausgangspunkt für weitere funktionale Charakterisierungen dieser Gene.