The C. elegans genome encodes nineteen functional Argonaute proteins that utilize 22G-RNAs, 26G-RNAs, miRNAs, or piRNAs to regulate their target transcripts. Only one Argonaute is essential under normal laboratory conditions: CSR-1. While CSR-1 has been studied widely, nearly all studies have overlooked the fact that the csr-1 locus encodes two isoforms. These isoforms differ by an additional 163 amino acids present in the N-terminus of CSR-1a. Using CRISPR-Cas9 genome editing to introduce GFP::3xFLAG into the long (CSR-1a) and short (CSR-1b) isoforms, we found that CSR-1a is expressed during spermatogenesis and in several somatic tissues, including the intestine. CSR-1b is expressed constitutively in the germline. small RNA sequencing of CSR-1 complexes shows that they interact with partly overlapping sets of 22G-RNAs. Phenotypic analyses reveal that the essential functions of csr-1 described in the literature coincide with CSR-1b, while CSR-1a plays tissue specific functions. During spermatogenesis, CSR-1a integrates into an sRNA regulatory network including ALG-3, ALG-4, and WAGO-10 that is necessary for fertility at 25°C. In the intestine, CSR-1a silences immunity and pathogen-responsive genes, and its loss results in improved survival from the pathogen Pseudomonas aeruginosa . Our findings functionally distinguish the CSR-1 isoforms and highlight the importance of studying each AGO isoform independently.

Summary Argonaute (AGO) proteins associate with small RNAs to direct their effector function on complementary transcripts. The nematode C. elegans contains an expanded family of 19 functional AGO proteins, many of which have not been fully characterized. In this work we systematically analyzed every C. elegans AGO, using CRISPR-Cas9 genome editing to introduce GFP::3xFLAG tags. We have characterized the expression patterns of each AGO throughout development, identified small RNA binding complements, and determined the effects of ago loss on small RNA populations and developmental phenotypes. Our analysis indicates stratification of subsets of AGOs into distinct regulatory modules, and integration of our data led us to uncover novel stress-induced fertility and pathogen response phenotypes due to ago loss.

In C. elegans nematodes, components of liquid-like germ granules were shown to be required for transgenerational small RNA inheritance. Surprisingly, we show here that mutants with defective germ granules (pptr-1, meg-3/4, pgl-1) can nevertheless inherit potent small RNA-based silencing responses, but some of the mutants lose this ability after many generations of homozygosity. Animals mutated in pptr-1, which is required for stabilization of P granules in the early embryo, display extremely strong heritable RNAi responses, which last for tens of generations, long after the responses in wild type animals peter out. The phenotype of mutants defective in the core germ granules proteins MEG-3 and MEG-4, depends on the genotype of the ancestors: Mutants that derive from maternal lineages that had functional MEG-3 and MEG-4 proteins exhibit enhanced RNAi inheritance for multiple generations. While functional ancestral meg-3/4 alleles correct, and even potentiates the ability of mutant descendants to inherit RNAi, defects in germ granules functions can be memorized as well; Wild type descendants that derive from lineages of mutants show impaired RNAi inheritance for many (>16) generations, although their germ granules are intact. Importantly, while P granules are maternally deposited, wild type progeny derived from meg-3/4 male mutants also show reduced RNAi inheritance. Unlike germ granules, small RNAs are inherited also from the sperm. Moreover, we find that the transgenerational effects that depend on the ancestral germ granules require the argonaute protein HRDE-1, which carries heritable small RNAs in the germline. Indeed, small RNA sequencing reveals imbalanced levels of many endogenous small RNAs in germ granules mutants. Strikingly, we find that hrde-1;meg-3/4 triple mutants inherit RNAi, although hrde-1 was previously thought to be essential for heritable silencing. We propose that germ granules sort and shape the RNA pool, and that small RNA inheritance memorizes this activity for multiple generations.

P granules are perinuclear condensates in C. elegans germ cells proposed to serve as hubs for self/non-self RNA discrimination by Argonautes. We report that a mutant ( meg-3 meg-4 ) that does not assemble P granules in primordial germ cells loses competence for RNA-interference over several generations and accumulates silencing small RNAs against hundreds of endogenous genes, including the RNA-interference genes rde-11 and sid-1 . In wild-type, rde-11 and sid-1 transcripts are heavily targeted by piRNAs, accumulate in P granules, but maintain expression. In the primordial germ cells of meg-3 meg-4 mutants, rde-11 and sid-1 transcripts disperse in the cytoplasm with the small RNA biogenesis machinery, become hyper-targeted by secondary sRNAs, and are eventually silenced. Silencing requires the PIWI-class Argonaute PRG-1 and the nuclear Argonaute HRDE-1 that maintains trans-generational silencing of piRNA targets. These observations support a "safe harbor" model for P granules in protecting germline transcripts from piRNA-initiated silencing.

Abstract The conserved TRIM-NHL protein, NHL-2, plays a key role in small RNA pathways in Caenorhabditis elegans . NHL-2 has been shown to interact with U-rich RNA through its NHL domain, but the importance to its biological function is unknown. We defined the crystal structure of the NHL domain to 1.4 Å resolution and identified residues that affect affinity for U-rich RNA. Functional analysis of an NHL-2 RNA-binding loss-of-function mutant demonstrated defects in the heterochronic pathway, suggesting that RNA binding is essential for its role in this miRNA pathway. Processing bodies were enlarged in the NHL-2 RNA-binding mutant, suggesting a defect in mRNA decay. We also identified the eIF4E binding protein IFET-1 as a strong synthetic interactor with NHL-2 and the DEAD box RNA helicase CGH-1 (DDX6), linking NHL-2 function to translation repression. We demonstrated that in the absence of NHL-2, there was an enrichment of miRNA transcripts associated with the miRNA pathway Argonaute proteins ALG-2 and ALG-2. We demonstrate that NHL-2 RNA-binding activity is essential for let-7 family miRNA-mediated translational repression. We conclude that the NHL-2, CGH-1, and IFET-1 regulatory axes work with the core miRISC components to form an effector complex that is required for some, but not all, miRNAs.