Enrique Gonzalez Duran

• Mitochondria and plastids are organelles with an endosymbiotic origin. During evolution, many genes are lost from the organellar genomes and get integrated in the nuclear genome, in what is known as intracellular/endosymbiotic gene transfer (IGT/EGT). IGT has been reproduced experimentally in Nicotiana tabacum at a gene transfer rate (GTR) of 1 event in 5 million cells, but, despite its centrality to eukaryotic evolution, there are no genetic factors known to influence the frequency of IGT in higher eukaryotes. The focus of this work was to determine the role of different DNA repair pathways of double strand break repair (DSBR) in the integration step of organellar DNA in the nuclear genome during IGT. Here, a CRISPR/Cas9 mutagenesis strategy was implemented in N. tabacum, with the aim of generating mutants in nuclear genes without expected visible phenotypes. This strategy led to the generation of a collection of independent mutants in the LIG4 (necessary for non-homologous end joining, NHEJ) and POLQ genes (necessary forMitochondria and plastids are organelles with an endosymbiotic origin. During evolution, many genes are lost from the organellar genomes and get integrated in the nuclear genome, in what is known as intracellular/endosymbiotic gene transfer (IGT/EGT). IGT has been reproduced experimentally in Nicotiana tabacum at a gene transfer rate (GTR) of 1 event in 5 million cells, but, despite its centrality to eukaryotic evolution, there are no genetic factors known to influence the frequency of IGT in higher eukaryotes. The focus of this work was to determine the role of different DNA repair pathways of double strand break repair (DSBR) in the integration step of organellar DNA in the nuclear genome during IGT. Here, a CRISPR/Cas9 mutagenesis strategy was implemented in N. tabacum, with the aim of generating mutants in nuclear genes without expected visible phenotypes. This strategy led to the generation of a collection of independent mutants in the LIG4 (necessary for non-homologous end joining, NHEJ) and POLQ genes (necessary for microhomology mediated end joining, MMEJ). Targeting of other DSBR genes (KU70, KU80, RPA1C) generated mutants with unexpectedly strong developmental phenotypes.. These factors have telomeric roles, hinting towards a possible relationship between telomere length, and strength of developmental disruption upon loss of telomere structure in plants. The mutants were made in a genetic background encoding a plastid-encoded IGT reporter, that confers kanamycin resistance upon transfer to the nucleus. Through large scale independent experiments, increased IGT from the chloroplast to the nucleus was observed in lig4 mutants, as well as lines encoding a POLQ gene with a defective polymerase domain (polqΔPol). This shows that NHEJ or MMEJ have a double-sided relationship with IGT: while transferred genes may integrate using either pathway, the presence of both pathways suppresses IGT in wild-type somatic cells, thus demonstrating for the first time the extent on which nuclear genes control IGT frequency in plants. The IGT frequency increases in the mutants are likely mediated by increased availability of double strand breaks for integration. Additionally, kinetic analysis reveals that gene transfer (GT) events accumulate linearly as a function of time spent under antibiotic selection in the experiment, demonstrating that, contrary to what was previously thought, there is no such thing as a single GTR in somatic IGT experiments. Furthermore, IGT in tissue culture experiments appears to be the result of a "race against the clock" for integration in the nuclear genome, that starts when the organellar DNA arrives to the nucleus granting transient antibiotic resistance. GT events and escapes of kanamycin selection may be two possible outcomes from this race: those instances where the organellar DNA gets to integrate are recovered as GT events, and in those cases where timely integration fails, antibiotic resistance cannot be sustained, and end up considered as escapes. In the mutants, increased opportunities for integration in the nuclear genome change the overall ratio between IGT and escape events. The resources generated here are promising starting points for future research: (1) the mutant collection, for the further study of processes that depend on DNA repair in plants (2) the collection of GT lines obtained from these experiments, for the study of the effect of DSBR pathways over integration patterns and stability of transferred genes and (3) the developed CRISPR/Cas9 workflow for mutant generation, to make N. tabacum meet its potential as an attractive model for answering complex biological questions.…
• Mitochondrien und Plastiden sind beides Organellen endosymbiotischen Ursprungs. Im Laufe der Evolution gehen viele Gene aus den Organellengenomen verloren und werden in das Kerngenom integriert, was als intrazellulärer/endosymbiotischer Gentransfer (IGT/EGT) bezeichnet wird. IGT konnte experimentell in Nicotiana tabacum mit einer Gentransferrate (GTR) von einem Ereignis in fünf Millionen Zellen nachgestellt werden, aber trotz seiner zentralen Bedeutung für die eukaryotische Evolution sind keine genetischen Faktoren bekannt, die die Häufigkeit von IGT in höheren Eukaryoten beeinflussen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Bestimmung der Rolle verschiedener DNA-Reparaturwege der Doppelstrangbruchreparatur (DSBR) bei der Integration von Organellen-DNA in das Kerngenom während des IGT. Dazu wurde in N. tabacum eine CRISPR/Cas9-basierte Mutagenesestrategie angewandt, mit dem Ziel, Mutanten in Kerngenen zu erzeugen, für die keine sichtbaren Phänotypen zu erwarten sind. Diese Strategie führte zur Erzeugung einer Reihe unabhängigerMitochondrien und Plastiden sind beides Organellen endosymbiotischen Ursprungs. Im Laufe der Evolution gehen viele Gene aus den Organellengenomen verloren und werden in das Kerngenom integriert, was als intrazellulärer/endosymbiotischer Gentransfer (IGT/EGT) bezeichnet wird. IGT konnte experimentell in Nicotiana tabacum mit einer Gentransferrate (GTR) von einem Ereignis in fünf Millionen Zellen nachgestellt werden, aber trotz seiner zentralen Bedeutung für die eukaryotische Evolution sind keine genetischen Faktoren bekannt, die die Häufigkeit von IGT in höheren Eukaryoten beeinflussen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Bestimmung der Rolle verschiedener DNA-Reparaturwege der Doppelstrangbruchreparatur (DSBR) bei der Integration von Organellen-DNA in das Kerngenom während des IGT. Dazu wurde in N. tabacum eine CRISPR/Cas9-basierte Mutagenesestrategie angewandt, mit dem Ziel, Mutanten in Kerngenen zu erzeugen, für die keine sichtbaren Phänotypen zu erwarten sind. Diese Strategie führte zur Erzeugung einer Reihe unabhängiger Mutanten im LIG4-Gen (notwendig für „non-homologous end joining“, die nicht-homologe Verbindung von Enden, NHEJ) und POLQ (notwendig für „microhomology mediated end joining“, die Mikrohomologie-vermittelte Verbindung von Enden, MMEJ). Die gezielte Beeinflussung anderer DSBR-Gene (KU70, KU80, RPA1C) führte zu Mutanten mit unerwartet starken Entwicklungsphänotypen. Diese Gene spielen eine Rolle beim Erhalt der Telomere, was auf einen möglichen Zusammenhang zwischen der Telomerlänge und der Stärke der Entwicklungsstörung bei Verlust der Telomerstruktur in Pflanzen hindeutet. Die Mutanten wurden in einem genetischen Hintergrund erzeugt, der über einen in den Plastiden lokalisierten IGT-Reporter verfügt, der nach Übertragung in den Zellkern Kanamycin-Resistenz vermittelt. In groß angelegten unabhängigen Experimenten wurde in lig4-Mutanten sowie in Linien, die für ein POLQ-Gen mit einer defekten Polymerase-Domäne (polqΔPol) kodieren, eine erhöhte GTR vom Chloroplasten zum Zellkern beobachtet. Dies zeigt, dass NHEJ oder MMEJ eine zweischneidige Beziehung zum IGT haben: Während übertragene Gene folglich über jeden der beiden Mechanismen integriert werden können, unterdrückt das gleichzeitige Vorhandensein beider Wege IGT in somatischen Wildtyp-Zellen, wodurch zum ersten Mal gezeigt wird, in welchem Ausmaß Kerngene die IGT-Häufigkeit in Pflanzen kontrollieren. Die erhöhte Verfügbarkeit von Doppelstrangbrüchen für die Integration könnte für die erhöhte IGT-Häufigkeit in den Mutanten verantwortlich sein. Darüber hinaus zeigt die Analyse des Zeitverlaufs, dass Gentransferereignisse (GT) in Abhängigkeit von der Zeit, die im Experiment unter Antibiotikaselektion verbracht wurde, linear akkumulieren, was beweist, dass es, anders als bisher angenommen, in somatischen IGT-Experimenten keine statische GTR gibt. Darüber hinaus scheint IGT in Gewebekulturexperimenten das Ergebnis eines Wettlaufs mit der Zeit um die Integration in das Kerngenom zu sein, der beginnt, wenn die Organellen-DNA in den Zellkern gelangt und eine vorübergehende Antibiotikaresistenz gewährt. Echte GT-Ereignisse und „Escapes“ (scheinbare Resistenz, ein vorläufiges Ausweichen vor der Kanamycin-Selektion) können zwei mögliche Ergebnisse dieses Wettlaufs sein: Die Fälle, in denen die Organellen-DNA integriert wird, werden als GT-Ereignisse gewertet, und in den Fällen, in denen die rechtzeitige Integration scheitert, kann die Antibiotikaresistenz nicht aufrechterhalten werden und sie werden als „Escape“ betrachtet. In den Mutanten verändern sich die Möglichkeiten zur Integration in das Kerngenom, wodurch sich das Gesamtverhältnis zwischen IGT- und „Escape“-Ereignissen ändert. Die hier erzeugten Ressourcen sind vielversprechende Ausgangspunkte für künftige Forschungen: (1) die Mutantensammlung, für die Untersuchung von weiteren Prozessen, die von der DNA-Reparatur in Pflanzen abhängen, (2) die Sammlung von GT-Linien, die aus den hier beschriebenen Experimenten gewonnen wurden, für die Untersuchung der Auswirkungen von DSBR-Mechanismen auf Integrationsmuster und Stabilität übertragener Gene und (3) der hier entwickelte Arbeitsablauf für die Mutantenerzeugung mittels CRISPR/Cas9, damit N. tabacum sein Potenzial als attraktives Modell für die Beantwortung komplexer biologischer Fragestellungen erfüllen kann.…