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In hypothesized RNA-World scenarios, replication of RNA strands is catalyzed by error-prone polymerase ribozymes. Incorrect replication leads to the creation of non-functional, parasitic strands which can invade systems of replicators and lead to their death. Studies have shown two solutions to this problem: spatial clustering of polymerases in models featuring elements to limit diffusion, and group selection in models featuring protocells. Making a quantitative comparison of the methods using results from the literature has proven difficult due to differences in model design. Here we develop computational models of replication of a system of polymerases, polymerase complements and parasites in both spatial models and protocell models with near identical dynamics to make meaningful comparison viable. We compare the models in terms of the maximum mutation rate survivable by the system (the error threshold) as well as the minimum replication rate constant required. We find that protocell models are capable of sustaining much higher maximum mutation rates, and survive under much lower minimum replication rates than equivalent surface models. We then consider cases where parasites are favoured in replication, and show that the advantage of protocell models is increased. Given that a system of RNA strands undergoing catalytic replication by a polymerase is fairly survivable in protocell models, we attempt to determine whether isolated strands can develop into genomes. We extend our protocell model to include additional functional strands varying in length (and thus replication rate) and allow for the linkage of strands to form proto-chromosomes. We determine that linkage is possible over a broad range of lengths, and is stable when considering the joining of short functional strands to the polymerase (and the same for the complementary sequences). Moreover, linkage of short functional strands to the polymerase assures more cells remain viable post division by ensuing a good quantity of polymerase equivalents are present in the parent cell prior to splitting. / Thesis / Master of Science (MSc) / Collections of RNA polymers are good candidates for the origin of life. RNA is able to store genetic information and act as polymerase ribozymes allowing RNA to replicate RNA. Polymerases have been experimentally developed in labs, however none are sufficiently general to work well in an origins of life setting. These polymerases are vulnerable to mistakes during copying, making survival of RNA systems difficult. Such systems have been studied by computer simulations, showing that the strands need to be kept together for survival, either on surfaces or in primitive cells. Differences in the details of the models has made comparing the surfaces to cells difficult. This work creates a unified model base allowing for comparison of these two environments. We find that the existence of primitive cells is very beneficial to systems of RNA polymers and thus it is likely such cells existed at the origin of life.

Die gegenwärtige Vorstellung von Genexpression in Plastiden leitet sich von der Analyse weniger, individueller Gene ab und ist deshalb noch relativ lückenhaft. In dieser Arbeit sollte daher differenzierende RNA Sequenzierung- eine neue Methode, die zwischen prozessierten und Primärtranskripten unterscheiden kann, verwendet werden, um ein vollständigeres Bild des Transkriptionsprozesses und der RNA Prozessierung von Hordeum vulgare L. (Gerste) Chloroplasten zu erhalten. Plastidengene in höheren Pflanzen können sowohl von einer plastidenkodierten, bakterienähnlichen RNA-Polymerase (PEP), als auch von einer kernkodierten, phagenähnlichen RNA-Polymerase (NEP), die beide unterschiedliche Promotoren erkennen, abgelesen werden. In dieser Arbeit wurde die Verteilung von Transkriptionsstartstellen innerhalb des Plastidengenoms von grünen (reife Chloroplasten; Transkriptionsaktivität von PEP und NEP) und weißen Plastiden (Transkriptionsaktivität von NEP) der Gerstenmutantenlinie albostrians analysiert. Dies führte zu neuen Erkenntnissen bezüglich polymerasenspezifischer Genexpression in Plastiden. Auf Grundlage neuerer Arbeiten wird angenommen, daß nicht kodierende RNAs (ncRNAs) in Chloroplasten vorkommen. Die bisher verwendeten Methoden waren jedoch nicht geeignet, ncRNAs als Primärtranskripte zu identifizieren, die zumindest in Prokaryoten die häufigste Klasse von ncRNAs darstellen. In dieser Arbeit konnte durch dRNA-seq gezeigt werden, daß auch in Plastiden zahlreiche ncRNAs als Primärtranskripte generiert werden. Die wichtigsten Schritte im Prozess der mRNA Reifung in Plastiden sind 5´und 3´ Endformation und intercistronische Prozessierung. Vor Kurzem wurde gezeigt, daß ein PPR (Pentatricopeptide repeat) Protein zur Bildung der Ende von einigen prozessierten Plastiden mRNAs beiträgt, indem es als Hindernis für Exonukleasen wirkt. Mit dieser Arbeit konnte gezeigt werden, daß dies ein genereller Mechanismus zur Bildung prozessierter mRNA-Enden in Chloroplasten ist. / The current view on plastid gene expression is mainly based on the analysis of a few individual genes, and thus it is lacking in comprehensiveness. Here, a novel differential RNA-seq approach, designed to discriminate between primary and processed transcripts, was used to obtain a deeper insight into the plastid transcription and RNA maturation of mature barley (Hordeum vulgare L.) chloroplasts. Transcription in plastids of higher plants is dependent on two different transcription machineries, a plastid-encoded bacterial-type RNA polymerase (PEP) and a nuclear-encoded phage-type RNA polymerase (NEP), which recognize distinct types of promoters. This study provided a thorough investigation into the distribution of transcription start sites within the plastid genome of green (mature chloroplasts; transcription by both PEP and NEP) and white (PEP-deficient plastids; transcription by NEP) plastids of the barley line albostrians. This analysis led to new insights on polymerase specific gene expression in plastids. Recent studies have suggested that non-coding RNAs (ncRNAs) are common in chloroplasts. However, they did not directly detect ncRNAs generated via transcription, the so far most abundant class of known regulatory ncRNAs in bacteria. Here, dRNA-seq analysis of the transcriptome of barley chloroplasts demonstrated the existence of numerous ncRNA generated via transcription of free-standing genes. Major events in plastid mRNA maturation include 5’ and 3’ processed end formation and intercistronic processing. Recently, a PPR (pentatricopeptide repeat) protein was shown to participate in the generation of several plastid mRNA processed ends by serving as a barrier to exonucleases. This study provided evidence for the global impact of this mechanism on processed termini formation in chloroplasts.

La synthèse d’ARN au cours de la différenciation des ovocytes est essentielle à la fécondation et à l'initiation du développement précoce. La nature de la machinerie basale de transcription pendant la croissance ovocytaire n'est pas connue mais la protéine TBP est remplacée par une protéine semblable spécifique des vertébrés, TBP2. Pour comprendre le rôle de TBP2 dans l'initiation de la transcription, nous avons effectué un RNA-seq à partir d'ovocytes contrôles et Tbp2-/- et montré que l'expression des gènes les plus transcrits ainsi celle des éléments rétroviraux endogènes de type MaLR est diminuée. Par immunoprécipitation couplée à la spectrométrie de masse à partir d'ovaires, nous avons montré que TBP2 ne forme pas un complexe TFIID, mais est associé à TFIIA dans les ovocytes. Globalement nos données montrent qu’une machinerie d'initiation de la transcription spécifique différente du complexe canonique TFIID contrôle la transcription dans les ovocytes de souris. / Mammalian oocytes go through consecutive differentiation process, during which the synthesis and accumulation of RNAs are essential for oocyte growth, maturation, fertilization and early embryogenesis. Little is known about the nature and function of the oocyte Pol II transcription machinery. During oocyte growth TBP is replaced by a vertebrate specific paralog, TBP2, and Tbp2-/- females are sterile. To understand whether and how TBP2 is controlling transcription initiation during oogenesis, we carried out RNA-seq analyses from wild-type and Tbp2-/- oocytes from primary and secondary follicles. These analyses show a main decrease in the expression of the most abundant genes as well as specific down-regulation of the expression of the MaLR-type endogenous retroviral elements. To identify the nature of the complex associated with TBP2 in the oocytes, we carried out immunoprecipitation followed by mass spectrometry. We demonstrate that, in the oocytes, TBP2 associates with TFIIA, but does not assemble into a TFIID-type complex. Altogether, our data show that a specific TBP2-TFIIA-containing transcription machinery, different from canonical TFIID, drives transcription in mouse oocytes.

Diss. (sammanfattning) Stockholm : Karolinska institutet, 2009. / Härtill 4 uppsatser.

Thema dieser Arbeit ist die evolutive Optimierung der T7-RNA-Polymerase. Zur Stabilisierung technischer oder therapeutischer RNA-Moleküle gegenüber RNAsen wäre es wünschenswert eine RNA-Polymerase zu generieren, welche RNA vollständig aus 2’- modifizierten Nucleotiden synthetisieren kann. Zu diesem Zweck wurde ein kombiniertes Selektions- und Screeningverfahren zur Durchmusterung von Variantenbibliotheken der T7- RNA-Polymerase hinsichtlich des Einbaus von 2’-Methoxy-modifizierten Nucleotiden in RNA entwickelt. Es wurden ein gut handhabbarer, cis-regulierter Expressionsvektor sowie ein Selektionsplasmid erzeugt, die zusammen in E. coli ein in-vivo-Selektionssystem bilden, mit dessen Hilfe man Zellen, welche T7-RNA-Polymerase-Aktivität zeigen anhand ihrer grünen Fluoreszenz identifizieren konnte. Durch error-prone PCR wurden Mutantenbibliotheken generiert, und diese in das Selektionssystem eingesetzt. So konnte die Anzahl der potentiell zu testenden Varianten erheblich gesenkt werden. Zur Bestimmung der T7-RNA-Polymerase- Aktivität mit 2’-Methoxy-modifizierten Nucleotiden wurde ein Fluoreszenz-basierendes Assay etabliert. Dieses Assay, das nicht mit radioaktiv-markierten Nucleotiden arbeitete und keinen gelelektrophoretischen Separationsschritt benötigte, konnte in allen Schritten zur parallelen Bearbeitung von 96 Proben in einem Mikrotiterplatten-Format angepasst werden, so dass es prinzipiell hochdurchsatzfähig war und sich zum Screening umfangreicher Variantenbibliotheken eignete. Die Assay-Reaktion kann dabei auch unkompliziert auf ein Screening von RNA- oder DNA-Polymerase-Bibliotheken hinsichtlich anderer Eigenschaften der Polymerase-Aktivität übertragen werden.

Thesis (Ph. D.)--University of Virginia, 2008. / Includes bibliographical references. Also available online through Digital Dissertations.

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