C. elegans is a commonly used genetic model organism due to the ease of genetic screens, transgenesis, and microscopy. Here, I describe methods that improve transgenesis in C. elegans and the development of a genetic screen to identify genes involved in the piRNA pathway. Transgenesis is commonly used for most laboratories that utilize C. elegans and improvements are therefore likely to facilitate research across many research areas. In the first chapter, I characterized a pan-muscular promoter that drives fluorophore expression to help identify C. elegans transgenesis. This promoter is an improved co-injection marker as it drives bright fluorescence with low toxicity and high efficiency. In the second chapter, I study piRNAs which are a large class of non-coding RNA that play important roles in protecting the genome from transposable elements in most animals. The study of piRNAs has mostly focused on their function in the germline, but recent evidence suggests functions in somatic cells such as neurons. To identify genes involved in the piRNA pathway in C. elegans, I performed a chemical genetic screen. I identified one mutant with a somatic phenotype and six mutants with a germline phenotype. I have focused on the germline and sequenced two strains and identified candidate genes involved in the piRNA pathway. Future work will focus on validating and identifying the remaining mutants.

Endogenous viral elements (EVEs) have been recently investigated as a source of transgenerational immune memory. These “viral fossils” are abundant in Aedes mosquitoes and partner with the host’s primary antiviral defense system, the RNA interference (RNAi) pathways. This partnership appears unique to mosquitoes, which encode an expansion of the Piwi endoribonucleases. To interrogate EVE-Piwi partnerships and their role in antiviral defense, I performed a comparative small RNA analysis of two naturally occurring EVE-virus pairs – one in the mosquito Aedes albopictus, and one in the midge Chaoborus americanus. Both express an EVE related to the nucleoprotein of their respective bunyavirus. My results show that Piwis generally do not have antiviral functions in Chaoborus, however EVEs are associated with Piwi recruitment to matched viral RNAs. These findings raise the possibility that RNAi-mediated EVE-virus interactions may be more common among insects than currently recognized.

Sex chromosomes and autosomes often differ in their relative rates of evolution, with sex chromosomes generally accumulating changes more rapidly (faster-X evolution). Transposable elements (TEs) make up a significant portion of eukaryotic genomes and are some of the most rapidly evolving genetic elements. We compared relative rates of insertion on the X and autosomes for 78 families found in Drosophila melanogaster. The average X/A ratio for these TE families was 1.11, similar to the mean dS X/A ratio, indicating no male-bias in mutation rate or TE insertion. The major mode of the distribution was ~0.8, indicating stronger purifying selection on the X chromosome for most TEs. We found no effect on X/A from sex-specific TE expression, but TEs with male-specific piRNA had an average X/A ratio of 0.62. We also found that TEs with very high X/A ratios (top 5%) had X chromosome insertions in areas of relative low recombination.

Les ARN interagissants avec Piwi (ARNpi) sont des petits ARN non-codants qui sont exprimes dans la ligne grrminale des animaux. Ils interagissent avec les proteines de la branche Piwi de la famille des Argonautes en formant des complexes des ribonucleproteines impliques dans le maintien de l'intégrité du génome. La region N-terminale des quelques proteines Piwi contiennent symetriquement des arginines diméthylées. Il est considere que ce status symmetrique de la dimethylation est responsable du recrutement des proteines possédant des domaines Tudor (TDRDs). Ces domaines peuvent avoir un role comme platforme pour medier les interactions entre les proteines de la voie de l'ARNpi. Nous avons mesure indivindiuellemnt l'affinite de liaison des quatres domaines etendus Tudor (TD) de la proteine murine TDRD1 pour les trois differents peptides de la protein murine Mili qui contiennent de la methyl-arginine. Les resultats montrent une preference des TD2 et TD3 pour les peptides consecutives Mili alors que TD4 et TD1 ont une affinite plus bas et plus faible respectivement pour tous les peptides. Ces observations ont ete confirmees par des experiences pull-down en utilisant des proteines Piwi endogenes et des proteines-interagissent avec Piwi. L'affinite de TD1 pour les peptides qui contiennent de la methyl-arginine peut etre restoree par une seul mutation ponctuelle dans la cage aromatique pour revenir a la sequence consensus. La structure de cristal de la proteine TD3 lie au peptide methyle Mili montre une orientation inattendue de la peptide de liaison et de la chaine latérale de l'arginine methyle dans la cage aromatique. Finalement, le model SAXS des quatres domains tandem Tudor de TDRD1 revele une forme de la proteine flexible et elongee. Globalement, les resultats montrent que la proteine TDRD1 peut accommoder des differents peptides des differentes proteines et ainsi de fonctionner comme une protéine d'échafaudage dans la voie de l'ARNpi. La proteine FKBP6 (FK506 Binding Protein) a ete recemment identifiee comme un nouvel facteur interagissent dans la voie de l'ARNpi. FKBP6 est constituee d'une domaine d'isomerase FK et une domaine de tetratricopeptide (TPR). Une perte de la Fkbp6 conduit a la de –repression des transposons et a la sterilite masculine des souris. Le domaine TPR est implique dans l'interaction avec la proteine chaperone Hsp90 et le domaine FK est une isomerase inactive qui a ete evolue a une module structurale. En effectuant des exepriences biochimiques preliminaires nous avons identifie la region N-terminal du domaine MYND de TDRD1 comme le partenaire d'interaction du domaine FK de la FKBP6. Nous proposons que la proteine TDRD1 est une plateforme moleculaire qui reconnait des marques de methylation de MILI et elle recrute FKB6 pour promouvoir la formation d'un complexe indispensable pour la fonction de la voie de l'ARNpi. / Piwi-interacting RNAs (piRNAs) are small non-coding RNAs expressed in the germ line of animals. They associate with Argonaute proteins of the PIWI subfamily, forming ribonucleoprotein complexes that are involved in maintaining genome integrity. The N-terminal region of some PIWI proteins contains symmetrically dimethylated arginines. This symmetrical dimethylation is thought to be responsible for the recruitment of Tudor domain-containing proteins (TDRDs), which might serve as platforms mediating interactions between various proteins in the piRNA pathway. We measured the binding affinity of the four individual extended Tudor domains (TDs) of murine TDRD1 protein for three different methyl-arginine containing peptides from murine PIWI protein Mili. The results show a preference of TD2 and TD3 for consecutive Mili peptides whereas TD4 and TD1 have respectively lower and very weak affinity for any peptide. These observations were confirmed by pull-down experiments with endogenous PIWI and PIWI-associated proteins. The affinity of TD1 for methyl-arginine peptides can be restored by a single point mutation in the aromatic cage back to the consensus sequence. The crystal structure of TD3 bound to a methylated Mili peptide shows an unexpected, non-canonical orientation of the bound peptide and of the methylated arginine side-chain in the aromatic cage. Finally, the SAXS model of the four tandem Tudor domains of TDRD1 reveals a flexible, elongated shape of the protein. Overall the results show that TDRD1 can accommodate different peptides from different proteins and therefore act as a scaffold protein in the piRNA pathway. FK506-binding protein 6 (FKBP6) was recently identified as a novel piRNA pathway associated factor. It is comprised of an isomerase FK domain and a tetratricopeptide domain (TPR) and loss of Fkbp6 results in transposons de-repression and male sterility in mouse. The TPR domain is implicated in interaction with the chaperone Hsp90 and the FK domain is an inactive isomerase that has evolved into a structural module. We performed preliminary biochemical experiments that identify the N-terminal MYND domain of TDRD1 as the interaction partner of the FK domain of FKBP6. Overall, we propose that TDRD1 protein is a molecular platform that recognizes multiple methylation marks of Mili and recruits FKBP6 for the promotion of a complex formation indispensable for the proper function of the piRNA pathway.

PIWI-interacting RNAs (piRNAs) are small non-coding RNAs unique to animals that guard the germline genome integrity by regulating transposons, viruses, and genes. In mice, piRNAs are highly expressed in testis and guide one of the three PIWI proteins to regulate their targets. The purpose of the 3′ end 2′-O-methyl modification in piRNAs is unknown. It has been speculated that the modification increases stability and facilitates the function of piRNAs, but the direct evidence is lacking. My dissertation addresses two unanswered questions about mouse piRNAs: (1) how are piRNAs produced and how conserved is the piRNA pathway in all animals, and (2) why are mouse piRNAs 2′-O-methylated at their 3′ ends? How piRNAs are generated is still poorly characterized in several model organisms. Studies of these model organisms imply the mechanisms that produce piRNAs differ among animals, tissues and cell types. Here, we demonstrate that a single unified mechanism can explain piRNA production in most animals, from human to the non-bilateral animal hydra. Our analysis elucidated that, in male mouse and female fly germlines, PIWI proteins guided by the initiator piRNA slice long piRNA precursor transcripts, and this PIWI-guided slicing action starts the piRNA biogenesis. PIWI proteins also position the endonuclease to further fragment long piRNA precursor transcripts into a string of tail-to-head, phased trailing piRNAs in a stepwise manner. Our discovery shows the central role of PIWI proteins in the piRNA pathway: both initiating and sustaining the production of piRNAs. For the second question, we discovered that pre-piRNA trimming and piRNA 2′-O-methylation protect piRNAs from separate decay mechanisms. We showed that in the absence of 2′-O-methylation, mouse piRNAs with extensive complementarity to long RNAs are destabilized and destroyed by a mechanism similar to target-directed microRNA degradation (TDMD). On the other hand, untrimmed pre-piRNAs are destroyed by a different mechanism, independent of their extensive complementarity to long RNAs. In the absence of both 2′-O-methylation and trimming, the piRNA pathway collapses which supports the idea of piRNA trimming and methylation collaborating to stabilize piRNAs. Our work suggests that 2′-O-methylation and trimming are important for maintaining the steady-state abundance of piRNAs which is necessary for their function in either transposon silencing or gene regulation.

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Der Innovationspreis des Landesverbandes Sachsen im Deutschen Bibliotheksverband (DBV) e.V. stand in diesem Jahr unter dem Motto „Ehrenamt in sächsischen Bibliotheken“. Aus zahlreichen guten Bewerbungen wurde die Stadtbibliothek Pirna mit ihrem Projekt „Vorlesepaten für Krabbel- und Vorschulkinder“ als Preisträgerin gewählt.

Agricultural production is becoming increasingly important as the world demand increases. On the other hand, there are several factors threatening that production such as the climate change. Therefore, monitoring and management of different parameters affecting the production are important. The current study is dedicated to two key parameters, namely agricultural land cover and soil-moisture mapping using X- and L-Band Synthetic Aperture Radar (SAR) data. Land-cover mapping plays an essential role in various applications like irrigation management, yield estimation and subsidy control. A model of multi-direction/multi-distance texture analysis on SAR data and its use for agricultural land cover classification was developed. The model is built and implemented in ESRI ArcGIS software and integrated with “R Environment”. Sets of texture measures can be calculated on a plot basis and stored in an attribute table for further classification. The classification module provides various classification approaches such as support vector machine and artificial neural network, in addition to different feature-selection methods. The model has been tested for a typical Mid-European agricultural and horticultural land use pattern south to the town of Pirna (Saxony/Germany), where the high-resolution SAR data, TerraSAR-X and ALOS/PALSAR (HH/HV) imagery, were used for land-cover mapping. The results indicate that an integrated classification using textural information of SAR data has a high potential for land-cover mapping. Moreover, the multi-dimensional SAR data approach improved the overall accuracy. Soil moisture (SM) is important for various applications such as crop-water management and hydrological modelling. The above-mentioned TerraSAR-X data were utilised for soil-moisture mapping verified by synchronous field measurements. Different speckle-reduction techniques were applied and the most representative filtered image was determined. Then the soil moisture was calculated for the mapped area using the obtained linear regression equations for each corresponding land-cover type. The results proved the efficiency of SAR data in soil-moisture mapping for bare soils and at the early growing stage of fieldcrops. / Landwirtschaftliche Produktion erlangt mit weltweit steigender Nahrungsmittelnachfrage zunehmende Bedeutung. Zahlreiche Faktoren bedrohen die landwirtschaftliche Produktion wie beispielsweise die globale Klimaveränderung einschließlich ihrer indirekten Nebenwirkungen. Somit ist das Monitoring der Produktion selbst und der wesentlichen Produktionsparameter eine zweifelsfrei wichtige Aufgabe. Die vorliegende Studie widmet sich in diesem Kontext zwei Schlüsselinformationen, der Aufnahme landwirtschaftlicher Kulturen und den Bodenfeuchteverhältnissen, jeweils unter Nutzung von Satellitenbilddaten von Radarsensoren mit Synthetischer Apertur, die im X- und L-Band operieren. Landnutzungskartierung spielt eine essentielle Rolle für zahlreiche agrarische Anwendungen; genannt seien hier nur Bewässerungsmaßnahmen, Ernteschätzung und Fördermittelkontrolle. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Modell entwickelt, welches auf Grundlage einer Texturanalyse der genannten SAR-Daten für variable Richtungen und Distanzen eine Klassifikation landwirtschaftlicher Nutzungsformen ermöglicht. Das Modell wurde als zusätzliche Funktionalität für die ArcGIS-Software implementiert. Es bindet dabei Klassifikationsverfahren ein, die aus dem Funktionsschatz der Sprache „R“ entnommen sind. Zum Konzept: Ein Bündel von Texturparametern wird durch das vorliegende Programm auf Schlagbasis berechnet und in einer Polygonattributtabelle der landwirtschaftlichen Schläge abgelegt. Auf diese Attributtabelle greift das nachfolgend einzusetzende Klassifikationsmodul zu. Die Software erlaubt nun die Suche nach „aussagekräftigen“ Teilmengen innerhalb des umfangreichen Texturmerkmalsraumes. Im Klassifikationsprozess kann aus verschiedenen Ansätzen gewählt werden. Genannt seien „Support Vector Machine“ und künstliche neuronale Netze. Das Modell wurde für einen typischen mitteleuropäischen Untersuchungsraum mit landwirtschaftlicher und gartenbaulicher Nutzung getestet. Er liegt südlich von Pirna im Freistaat Sachsen. Zum Test lagen für den Untersuchungsraum Daten von TerraSAR-X und ALOS/PALSAR (HH/HV) aus identischen Aufnahmetagen vor. Die Untersuchungen beweisen ein hohes Potenzial der Texturinformation aus hoch aufgelösten SAR-Daten für die landwirtschaftliche Nutzungserkennung. Auch die erhöhte Dimensionalität durch die Kombination von zwei Sensoren erbrachte eine Verbesserung der Klassifikationsgüte. Kenntnisse der Bodenfeuchteverteilung sind u.a. bedeutsam für Bewässerungsanwendungen und hydrologische Modellierung. Die oben genannten SAR-Datensätze wurden auch zur Bodenfeuchteermittlung genutzt. Eine Verifikation wurde durch synchrone Feldmessungen ermöglicht. Initial musste der Radar-typische „Speckle“ in den Bildern durch Filterung verringert werden. Verschiedene Filtertechniken wurden getestet und das beste Resultat genutzt. Die Bodenfeuchtebestimmung erfolgte in Abhängigkeit vom Nutzungstyp über Regressionsanalyse. Auch die Resultate für die Bodenfeuchtebestimmung bewiesen das Nutzpotenzial der genutzten SAR-Daten für offene Ackerböden und Stadien, in denen die Kulturpflanzen noch einen geringen Bedeckungsgrad aufweisen.

Agricultural production is becoming increasingly important as the world demand increases. On the other hand, there are several factors threatening that production such as the climate change. Therefore, monitoring and management of different parameters affecting the production are important. The current study is dedicated to two key parameters, namely agricultural land cover and soil-moisture mapping using X- and L-Band Synthetic Aperture Radar (SAR) data. Land-cover mapping plays an essential role in various applications like irrigation management, yield estimation and subsidy control. A model of multi-direction/multi-distance texture analysis on SAR data and its use for agricultural land cover classification was developed. The model is built and implemented in ESRI ArcGIS software and integrated with “R Environment”. Sets of texture measures can be calculated on a plot basis and stored in an attribute table for further classification. The classification module provides various classification approaches such as support vector machine and artificial neural network, in addition to different feature-selection methods. The model has been tested for a typical Mid-European agricultural and horticultural land use pattern south to the town of Pirna (Saxony/Germany), where the high-resolution SAR data, TerraSAR-X and ALOS/PALSAR (HH/HV) imagery, were used for land-cover mapping. The results indicate that an integrated classification using textural information of SAR data has a high potential for land-cover mapping. Moreover, the multi-dimensional SAR data approach improved the overall accuracy. Soil moisture (SM) is important for various applications such as crop-water management and hydrological modelling. The above-mentioned TerraSAR-X data were utilised for soil-moisture mapping verified by synchronous field measurements. Different speckle-reduction techniques were applied and the most representative filtered image was determined. Then the soil moisture was calculated for the mapped area using the obtained linear regression equations for each corresponding land-cover type. The results proved the efficiency of SAR data in soil-moisture mapping for bare soils and at the early growing stage of fieldcrops. / Landwirtschaftliche Produktion erlangt mit weltweit steigender Nahrungsmittelnachfrage zunehmende Bedeutung. Zahlreiche Faktoren bedrohen die landwirtschaftliche Produktion wie beispielsweise die globale Klimaveränderung einschließlich ihrer indirekten Nebenwirkungen. Somit ist das Monitoring der Produktion selbst und der wesentlichen Produktionsparameter eine zweifelsfrei wichtige Aufgabe. Die vorliegende Studie widmet sich in diesem Kontext zwei Schlüsselinformationen, der Aufnahme landwirtschaftlicher Kulturen und den Bodenfeuchteverhältnissen, jeweils unter Nutzung von Satellitenbilddaten von Radarsensoren mit Synthetischer Apertur, die im X- und L-Band operieren. Landnutzungskartierung spielt eine essentielle Rolle für zahlreiche agrarische Anwendungen; genannt seien hier nur Bewässerungsmaßnahmen, Ernteschätzung und Fördermittelkontrolle. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Modell entwickelt, welches auf Grundlage einer Texturanalyse der genannten SAR-Daten für variable Richtungen und Distanzen eine Klassifikation landwirtschaftlicher Nutzungsformen ermöglicht. Das Modell wurde als zusätzliche Funktionalität für die ArcGIS-Software implementiert. Es bindet dabei Klassifikationsverfahren ein, die aus dem Funktionsschatz der Sprache „R“ entnommen sind. Zum Konzept: Ein Bündel von Texturparametern wird durch das vorliegende Programm auf Schlagbasis berechnet und in einer Polygonattributtabelle der landwirtschaftlichen Schläge abgelegt. Auf diese Attributtabelle greift das nachfolgend einzusetzende Klassifikationsmodul zu. Die Software erlaubt nun die Suche nach „aussagekräftigen“ Teilmengen innerhalb des umfangreichen Texturmerkmalsraumes. Im Klassifikationsprozess kann aus verschiedenen Ansätzen gewählt werden. Genannt seien „Support Vector Machine“ und künstliche neuronale Netze. Das Modell wurde für einen typischen mitteleuropäischen Untersuchungsraum mit landwirtschaftlicher und gartenbaulicher Nutzung getestet. Er liegt südlich von Pirna im Freistaat Sachsen. Zum Test lagen für den Untersuchungsraum Daten von TerraSAR-X und ALOS/PALSAR (HH/HV) aus identischen Aufnahmetagen vor. Die Untersuchungen beweisen ein hohes Potenzial der Texturinformation aus hoch aufgelösten SAR-Daten für die landwirtschaftliche Nutzungserkennung. Auch die erhöhte Dimensionalität durch die Kombination von zwei Sensoren erbrachte eine Verbesserung der Klassifikationsgüte. Kenntnisse der Bodenfeuchteverteilung sind u.a. bedeutsam für Bewässerungsanwendungen und hydrologische Modellierung. Die oben genannten SAR-Datensätze wurden auch zur Bodenfeuchteermittlung genutzt. Eine Verifikation wurde durch synchrone Feldmessungen ermöglicht. Initial musste der Radar-typische „Speckle“ in den Bildern durch Filterung verringert werden. Verschiedene Filtertechniken wurden getestet und das beste Resultat genutzt. Die Bodenfeuchtebestimmung erfolgte in Abhängigkeit vom Nutzungstyp über Regressionsanalyse. Auch die Resultate für die Bodenfeuchtebestimmung bewiesen das Nutzpotenzial der genutzten SAR-Daten für offene Ackerböden und Stadien, in denen die Kulturpflanzen noch einen geringen Bedeckungsgrad aufweisen.

Der Innovationspreis des Landesverbandes Sachsen im Deutschen Bibliotheksverband (DBV) e.V. stand in diesem Jahr unter dem Motto „Ehrenamt in sächsischen Bibliotheken“. Aus zahlreichen guten Bewerbungen wurde die Stadtbibliothek Pirna mit ihrem Projekt „Vorlesepaten für Krabbel- und Vorschulkinder“ als Preisträgerin gewählt.