Our lab focuses on studying mobile genetic elements and their contribution to genome evolution. The remnants of mobile genetic elements can be repurposed by the host. For example, they serve as enhancers, alternative poly(A) signals, splice sites, exons, or entirely new genes. This study investigates the domestication of DNA transposons to form entirely new genes. PiggyBac-derived elements (PGBDs) are transposase-like genes that have been repeatedly domesticated into vertebrate genomes, suggesting that they may have important functions in host biology. The human genome comprises five PGBD genes, PGBD1-5. However, little is known about the molecular mechanisms underlying their domestication or their physiological roles. Therefore, we investigated the evolutionary history and possible molecular functions of the human PGBD family, especially PGBD1 and PGBD5, as an example of host transposase domestication events. First, we investigated the domestication event of PGBD1 and found that it had captured an N-terminal SCAN and KRAB domain in its ancestral condition. However, while the transposase domain was under strong evolutionary constraints, the N-terminal domains (NTDs) were under lesser purifying selection. In the KRAB domain that showed Ka/Ks ratios bigger than 1, amino acid substitution may have been beneficial for PGBD1 function, including 252M, which might have compromised Tripartite motif containing 28 (TRIM28) binding capacity. Additional losses and decays of the N-terminal domain of PGBD1 highlight the functional dominance of the domesticated transposase domain. Hence, host domains might facilitate the capture of DNA transposases to the host genome, but their function could be submissive to the protein function. In the second part, we investigated the molecular functions of PGBD5 and found that it is doubtfully an active transposase, and we identified that it interacts with another nuclease, topoisomerase II α (TOP2A). We show that PGBD5 is enhancing TOP2A function in-vitro and that it, together with topoisomerase II β (TOP2B), might regulate the transcription of a subset of immediate early genes (IEGs), namely FOS, NPAS4, NR4A1 and DUSP1 in the brain. Further, we show that PGBD5 interacts with several proteins involved in histone modifications, transcriptional regulation, and DNA repair. Altogether we provide an alternative mechanism by which PGBD5 contributes to DNA double-strand breaks (DSBs) and genomic rearrangements. Additionally, we show that PGBD5 adds an extra layer of IEG control that is specific to the brain and thereby contributes to brain-specific signaling. The thesis contributes to the knowledge of the molecular mechanisms underlying the domestication of transposase-like genes and their physiological roles in the host genome.
Die Forschung unseres Labors konzentriert sich auf die Untersuchung mobiler genetischer Elemente und deren Beitrag zur Genomevolution. Rudimente mobiler genetischer Elemente können vom Wirt weiterverwendet werden, um neuen Aufgaben zu dienen. Diesen Prozess nennt man Domestizierung. Sie dienen zum Beispiel als Enhancer, alternative Poly(A)-Signale, Spleißstellen, Exons oder bilden selbstständige neue Gene. In dieser Arbeit wird die Weiterverwendung von DNA-Transposons zur Bildung völlig neuer Gene untersucht. PiggyBac-derived elements (PGBDs) sind eine Gruppe von Genen die von der piggyBac Transposase abstammen. Diese Sequenzen wurden wiederholt in Wirbeltiergenomen domestiziert, was darauf hindeutet, dass sie wichtige Funktionen in der Wirtsbiologie haben. Das menschliche Genom umfasst fünf PGBD-Gene, PGBD1-5. Über die molekularen Mechanismen, die ihrer Domestizierung zugrunde liegen, und ihre physiologischen Funktionen ist jedoch wenig bekannt. Daher untersucht die vorliegende Arbeit die Evolutionsgeschichte und mögliche molekulare Funktionen der menschlichen PGBD-Familie, insbesondere von PGBD1 und PGBD5, als Beispiel für die Domestizierung von Wirtstransposasen. Im ersten Teil wurde das Domestikationsereignis von PGBD1 untersucht und festgestellt, dass es in seinem Urzustand an eine SCAN- und KRAB-Domäne fusionierte. Während die Transposase-Domäne jedoch starken evolutionären Zwängen unterlag, waren die N-terminalen Domänen einer geringeren reinigenden Selektion ausgesetzt. In der KRAB-Domäne, die ein Ka/Ks -Verhältnis von mehr als 1 aufwies, könnte die Substitution von Aminosäuren für die Funktion von PGBD1 von Vorteil gewesen sein, einschließlich 252M, die die TRIM28-Bindungskapazität beeinträchtigt haben könnte. Zusätzliche Verluste und Veränderungen der N-terminalen Domäne von PGBD1 unterstreichen die funktionelle Dominanz der domestizierten Transposasedomäne. Wirtsdomänen könnten also die Integration von DNA-Transposasen in das Wirtsgenom erleichtern, aber ihre Funktion könnte für die Proteinfunktion untergeordnet sein. Im zweiten Teil untersuchten wir die molekularen Funktionen von PGBD5. Zunächst stellten wir fest, dass es sich wahrscheinlich nicht um eine aktive Transposase oder Nuklease handelt. Da es aber mehrfach mit vermehrten doppelsträngigen DNA brüchen assoziiert wurde, untersuchten wir die Protein-Protein Interaktionen von PGBD5 und identifizierten, dass es mit Topoisomerase II α, interagiert. Wir zeigen, dass PGBD5 die Funktion von Topoisomerase II α in-vitro verstärkt und dass es zusammen mit Topoisomerase II β die Transkription einer Untergruppe von Immediate Early Genes (IEGs), nämlich FOS, NPAS4, NR4A1 und DUSP1, im Gehirn regulieren könnte. Außerdem zeigen wir, dass PGBD5 mit mehreren Proteinen interagiert, die an Histonmodifikationen, der Transkriptionsregulation und der DNA-Reparatur beteiligt sind. Insgesamt liefern wir einen alternativen Mechanismus, durch den PGBD5 zu DNA Doppelstrangbrüchen und Gen-Rearrangements beiträgt. Darüber hinaus zeigen wir, dass PGBD5 zu einer zusätzlichne Kontrollebene zur Regulierung der IEG beiträgt, die spezifisch für das Gehirn ist. Die Arbeit leistet einen Beitrag zum Wissen über die molekularen Mechanismen, die der Domestizierung von Transposase-Ähnlichen Genen und ihrer physiologischen Rolle im Wirtsgenom zugrunde liegen.
