ABSTRACT Genetic mechanisms that repress transposable elements (TEs) in young animals decline during aging, as reflected by increased TE expression in aged animals. Does increased TE expression during aging lead to more genomic TE copies in older animals? To answer this question, we quantified TE Landscapes (TLs) via whole genome sequencing of young and aged Drosophila strains of wild-type and mutant backgrounds. We quantified TLs in whole flies and dissected brains and validated the feasibility of our approach in detecting new TE insertions in aging Drosophila genomes when natural defenses like RNA interference (RNAi) pathways are compromised. By also incorporating droplet digital PCR to validate genomic TE loads, we confirm TL changes can occur in a single lifespan of Drosophila when TEs are not suppressed. We also describe improved sequencing methods to quantify extra-chromosomal DNA circles (eccDNAs) in Drosophila as an additional source of TE copies that accumulate during aging. Lastly, to combat the natural progression of aging-associated TE expression, we show that knocking down PAF1 , a conserved transcription elongation factor that antagonizes RNAi pathways, may bolster suppression of TEs during aging and extend lifespan. Our study suggests that RNAi mechanisms generally mitigate genomic TL expansion despite the increase in TE transcripts during aging.

Abstract Transposable elements (TE) are mobile genetic parasites whose unregulated activity in the germline causes DNA damage and sterility. While the regulation of TE mobilization by hosts is studied extensively, little is known about mechanisms that could allow germline cells to persist in the face of genotoxic stress imposed by active transposition. Such tolerance mechanisms are predicted to be beneficial when new TEs invade and host repression has not yet evolved. Here we use hybrid dysgenesis—a sterility syndrome of Drosophila caused by transposition of invading DNA transposons—to uncover genetic variants that confer tolerance to transposition. Using a panel of highly recombinant inbred lines of Drosophila melanogaster , we identified two linked quantitative trait loci (QTL), that determine tolerance in young and old females, respectively. Through transcriptomic and phenotypic comparisons, we provide evidence that young tolerant females exhibit enhanced repair of double-stranded breaks, explaining their ability to withstand high germline transposition rates. We furthermore identify the germline differentiation factor brat as an independent tolerance factor, whose activity may promote germline maintenance in aging dysgenic females. Together, our work reveals the diversity of potential tolerance mechanisms across development, as well as tolerant variants that may be beneficial in the context of P -element transposition.

Abstract Animal genomes are parasitized by a horde of transposable elements (TEs) whose mutagenic activity can have catastrophic consequences. The piRNA pathway is a conserved mechanism to repress TE activity in the germline via a specialized class of small RNAs associated with effector Piwi proteins called piwi-associated RNAs (piRNAs). piRNAs are produced from discrete genomic regions called piRNA clusters (piCs). While piCs are generally enriched for TE sequences and the molecular processes by which they are transcribed and regulated are relatively well understood in Drosophila melanogaster , much less is known about the origin and evolution of piCs in this or any other species. To investigate piC evolution, we use a population genomics approach to compare piC activity and sequence composition across 8 geographically distant strains of D. melanogaster with high quality long-read genome assemblies. We perform extensive annotations of ovary piCs and TE content in each strain and test predictions of two proposed models of piC evolution. The ‘de novo’ model posits that individual TE insertions can spontaneously attain the status of a small piC to generate piRNAs silencing the entire TE family. The ‘trap’ model envisions large and evolutionary stable genomic clusters where TEs tend to accumulate and serves as a long-term “memory” of ancient TE invasions and produce a great variety of piRNAs protecting against related TEs entering the genome. It remains unclear which model best describes the evolution of piCs. Our analysis uncovers extensive variation in piC activity across strains and signatures of rapid birth and death of piCs in natural populations. Most TE families inferred to be recently or currently active show an enrichment of strain-specific insertions into large piCs, consistent with the trap model. By contrast, only a small subset of active LTR retrotransposon families is enriched for the formation of strain-specific piCs, suggesting that these families have an inherent proclivity to form de novo piCs. Thus, our findings support aspects of both ‘de novo’ and ‘trap’ models of piC evolution. We propose that these two models represent two extreme stages along an evolutionary continuum, which begins with the emergence of piCs de novo from a few specific LTR retrotransposon insertions that subsequently expand by accretion of other TE insertions during evolution to form larger ‘trap’ clusters. Our study shows that piCs are evolutionarily labile and that TEs themselves are the major force driving the formation and evolution of piCs.

Without transposon-silencing Piwi-interacting RNAs (piRNAs), transposition causes an ovarian atrophy syndrome in Drosophila called gonadal dysgenesis (GD). Harwich ( Har ) strains with P -elements cause severe GD in F1 daughters when Har fathers mate with mothers lacking P -element-piRNAs (i.e. ISO1 strain). To address the mystery of why Har induces severe GD, we bred hybrid Drosophila with Har genomic fragments into the ISO1 background to create HISR-D or HISR-N lines that still cause Dysgenesis or are Non-dysgenic, respectively. In these lines, we discovered a highly truncated P -element variant we named " Har-P " as the most frequent de novo insertion. Although HISR-D lines still contain full-length P -elements, HISR-N lines lost functional P -transposase but retained Har-P 's that when crossed back to P -transposase restores GD induction. Finally, we uncovered P -element-piRNA-directed repression on Har-P's transmitted paternally to suppress somatic transposition. The Drosophila short Har-P's and full-length P -elements relationship parallels the MITEs/DNA-transposases in plants and SINEs/LINEs in mammals.

ABSTRACT Although mosquitoes are major transmission vectors for pathogenic arboviruses, viral infection has little impact on mosquito health. This immunity is due in part to mosquito RNA interference (RNAi) pathways that generate antiviral small interfering RNAs (siRNAs) and Piwi-interacting RNAs (piRNAs). RNAi also maintains genome integrity by potently repressing mosquito transposon activity in the germline and soma. However, viral and transposon small RNA regulatory pathways have not been systematically examined together in mosquitoes. Therefore, we developed an integrated Mosquito Small RNA Genomics (MSRG) resource that analyzes the transposon and virus small RNA profiles in mosquito cell cultures and somatic and gonadal tissues across four medically important mosquito species. Our resource captures both somatic and gonadal small RNA expression profiles within mosquito cell cultures, and we report the evolutionary dynamics of a novel Mosquito-Conserved piRNA Cluster Locus (MCpiRCL) composed of satellite DNA repeats. In the larger culicine mosquito genomes we detected highly regular periodicity in piRNA biogenesis patterns coinciding with the expansion of Piwi pathway genes. Finally, our resource enables detection of crosstalk between piRNA and siRNA populations in mosquito cells during a response to virus infection. The MSRG resource will aid efforts to dissect and combat the capacity of mosquitoes to tolerate and spread arboviruses.