A highly condensed genome without heterochromatin : orchestration of gene expression and epigenomics in Paramecium tetraurelia

Abstract

Epigenetic regulation in unicellular ciliates can be as complex as in metazoans and is well described regarding small RNA (sRNA) mediated effects. The ciliate Paramecium harbors several copies of sRNA-biogenesis related proteins involved in genome rearrangements resulting in chromatin alterations. The global chromatin organization thereby is poorly understood, and unusual characteristics of the somatic nucleus, like high polyploidy, high genome coding density, and absence of heterochromatin, ought to call for complex regulation to orchestrate gene expression. The present study characterized the nucleosomal organization required for gene regulation and proper Polymerase II activity. Histone marks reveal broad domains in gene bodies, whereas intergenic regions are nucleosome free. Low occupancy in silent genes suggests that gene inactivation does not involve nucleosome recruitment. Thus, Paramecium gene regulation counteracts the current understanding of chromatin biology. Apart from global nucleosome studies, two sRNA binding proteins (Ptiwis) classically associated with transposon silencing were investigated in the background of transgene-induced silencing. Surprisingly, both Ptiwis also load sRNAs from endogenous loci in vegetative growth, revealing a broad diversity of Ptiwi functions. Together, the studies enlighten epigenetic mechanisms that regulate gene expression in a condensed genome, with Ptiwis contributing to transcriptome and chromatin dynamics.

Epigenetische Regulation kann in einzelligen Ciliaten so komplex sein wie in Vielzellern und wurde umfassend angesichts kleiner RNA (sRNA)-vermittelter Effekte untersucht. Der Ciliat Paramecium besitzt mehrere Kopien sRNA-Biogenese assoziierter Proteine, die an Genomprozessierungen und resultierenden Chromatinänderungen beteiligt sind. Die globale Organisation des Chromatins ist dabei kaum verstanden und obskure Eigenschaften des somatischen Kerns, wie hohe Polyploidie, Kodierungsdichte und Fehlen von Heterochromatin, sollten eine komplexe Regulation zur Steuerung der Genexpression erfordern. Die vorliegende Studie charakterisiert die Chromatinorganisation, die für die Genregulation und Polymerase II Aktivität notwendig ist. Histonmodifikationen zeigen breite Verteilungen in Genen, während intergenische Regionen Nukleosomen-frei sind. Ein Stilllegen von Genen scheint ohne die Rekrutierung von Nukleosomen zu erfolgen, womit die Genregulation in Paramecium dem aktuellen Verständnis der Chromatinbiologie widerspricht. Neben Nukleosomenstudien wurden zwei sRNA-bindende Proteine (Ptiwis), die klassisch mit Transposon-Silencing assoziiert sind, im Hintergrund des Transgeninduzierten Silencings untersucht. Überraschenderweise laden Ptiwis sRNAs von endogenen Loci im vegetativen Wachstum, was vielfältige Ptiwi-Funktionen offenbart. Die Studien zeigen epigenetische Mechanismen zur Genregulation in einem kompakten Genom, wobei Ptiwis zur Transkriptom- und Chromatindynamik beitragen.