The Role of alternative splicing in mammalian preimplantation development

Abstract

The transition from maternal to embryonic control is a crucial time in an organism’s life cycle, with an overhaul of the epigenetic marks, targeted mRNA degradation and the initiation of transcription. Yet, not only do these well-studied molecular pathways change, but we show that the predominant alternatively spliced isoform can also change. Using RNA-Seq from human, mouse and cow representing the transition from the oocyte to blastocyst, we identified thousands of exon-skipping events, most of which change at the stage of genome activation. Particularly, we found many changes that led to premature stop codons or non-canonical isoforms, generally through temporary skipping of constitutive exons. Many of these exon-skipping events were in genes related to DNA repair in the three species. Comparisons to RNA binding protein knockdowns, led us to discover a core set of proteins that may be responsible for the inclusion of the skipped exons (include Snrpb and Snrpd2). We could reduce levels of skipping by microinjection of Snrpb/d2 mRNA into mouse zygotes, and show that this increased the levels of etoposide-induced DNA damage response. This suggests that Snrpb/d2 may be required for correct splicing of DNA repair genes at genome activation. Apart from these temporary disruptive exon-skipping events, we also discovered many conserved events. These were mostly alternative protein isoforms with shift-like dynamics, and enriched in important developmental pathways, such as the Wnt pathway, Hippo signalling and chromatin modifications. Finally, we discuss the impact of these conserved events in early development, detailing domains and predicted function.

La transició del control matern al control embrionari és un moment crucial en el cicle vital d’un organisme viu, el qual inclou canvis epigenètics, degradació de certs ARNm i l’inici de la transcripció a càrrec de l’embrió. Tot i ser aquests, el canvis més ben caracteritzats, no són els únics que es donen, de fet, hem vist que les isoformes majoritàries de “splicing” també canvien durant aquesta transició. Utilitzant dades de seqüenciació de ARN (RNA-seq) provinents de cèl·lules d’humà, ratolí i vaca, d’oòcit a blastocist, hem pogut identificar milers d’exons exclosos (exon-skipping), la majoria dels quals pateixen canvis en l’estadi de l’activació del genoma. Especialment, hem identificat que molts d’aquests canvis donen lloc a l’aparició prematura d’un codó-stop o a isoformes no canòniques i això es produeix degut a la exclusió d’exons constitutius de manera transitòria o temporal. La majoria de fenòmens de “exon-skipping”, observats en les tres espècies, es produeixen en gens implicats en la reparació de l’ADN i el control del cicle cel·lular. Comparant dades provinents de experiments de pèrdua de funció (Knokdown) de proteïnes d’unió a l’ARN, hem pogut descobrir un grup de proteïnes que podrien ser les responsables de la inclusió dels exons que s’exclouen (Snrpb i Snrpd2). Mitjançant la microinjecció d’ARNm codificant per Snrpb/d2 en zigots de ratolí, hem estat capaços de reduir el nombre d’exons exclosos i hem vist un increment en la resposta al dany en l’ADN quan les cèl·lules han estat tractades amb etopòsid. Aquests resultats suggereixen que Snrpb/d2 podria ser necessari per a l’adequat funcionament de l’splicing alternatiu dels gens implicats en la reparació de l’ADN. A més a més, també hem descobert molts casos d’exclusió d’exons que estan conservats. Aquests corresponen, en la majoria dels casos, a isoformes alternatives de proteïnes amb canvis molt dinàmics, que es troben enriquides en vies de senyalització essencials durant el desenvolupament embrionari com; Wnt , Hippo, i modificacions de la cromatina.Finalment posem en discussió l’impacte d’aquests fenòmens conservats en el desenvolupament primerenc i detallem els dominis i les prediccions de la funció de les proteïnes implicades.