In metazoans, Piwi-related Argonaute proteins have been linked to germline maintenance, and to a class of germline-enriched small RNAs termed piRNAs. Here we show that an abundant class of 21 nucleotide small RNAs (21U-RNAs) are expressed in the C. elegans germline, interact with the C. elegans Piwi family member PRG-1, and depend on PRG-1 activity for their accumulation. The PRG-1 protein is expressed throughout development and localizes to nuage-like structures called P granules. Although 21U-RNA loci share a conserved upstream sequence motif, the mature 21U-RNAs are not conserved and, with few exceptions, fail to exhibit complementarity or evidence for direct regulation of other expressed sequences. Our findings demonstrate that 21U-RNAs are the piRNAs of C. elegans and link this class of small RNAs and their associated Piwi Argonaute to the maintenance of temperature-dependent fertility.

Endogenous small RNAs (endo-siRNAs) interact with Argonaute (AGO) proteins to mediate sequence-specific regulation of diverse biological processes. Here, we combine deep-sequencing and genetic approaches to explore the biogenesis and function of endo-siRNAs in C. elegans. We describe conditional alleles of the Dicer-related helicase, drh-3, that abrogate both RNA interference and the biogenesis of endo-siRNAs, called 22G-RNAs. DRH-3 is a core component of RNA-dependent RNA polymerase (RdRP) complexes essential for several distinct 22G-RNA systems. We show that, in the germline, one system is dependent on worm-specific AGOs, including WAGO-1, which localizes to germline nuage structures called P granules. WAGO-1 silences certain genes, transposons, pseudogenes, and cryptic loci. Finally, we demonstrate that components of the nonsense-mediated decay pathway function in at least one WAGO-mediated surveillance pathway. These findings broaden our understanding of the biogenesis and diversity of 22G-RNAs and suggest additional regulatory functions for small RNAs.

RNAi-related pathways regulate diverse processes, from developmental timing to transposon silencing. Here, we show that in C. elegans the Argonaute CSR-1, the RNA-dependent RNA polymerase EGO-1, the Dicer-related helicase DRH-3, and the Tudor-domain protein EKL-1 localize to chromosomes and are required for proper chromosome segregation. In the absence of these factors chromosomes fail to align at the metaphase plate and kinetochores do not orient to opposing spindle poles. Surprisingly, the CSR-1-interacting small RNAs (22G-RNAs) are antisense to thousands of germline-expressed protein-coding genes. Nematodes assemble holocentric chromosomes in which continuous kinetochores must span the expressed domains of the genome. We show that CSR-1 interacts with chromatin at target loci but does not downregulate target mRNA or protein levels. Instead, our findings support a model in which CSR-1 complexes target protein-coding domains to promote their proper organization within the holocentric chromosomes of C. elegans.

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.

Abstract Inherited immunity is an emerging field and describes how the transfer of immunity from parents to offspring can promote progeny survival in the face of infection. The mechanisms of how inherited immunity is induced are mostly unknown. The intracellular parasite Nematocida parisii is a natural microsporidian pathogen of Caenorhabditis elegan s. Here, we show that N. parisii -infected worms produce primed offspring that are resistant to microsporidia infection. We find that immunity is induced in a dose dependent manner and lasts for a single generation. Intergenerational immunity prevents host cell invasion by N. parisii and also enhances survival to the bacterial pathogen Pseudomonas aeruginosa . Further, we show that inherited immunity is triggered by the host transcriptional response to infection, which can also be induced through maternal somatic depletion of negative regulators PALS-22 and the retinoblastoma protein ortholog LIN-35. We show that other biotic and abiotic stresses, such as viral infection and cadmium exposure, that induce a similar transcriptional response to microsporidia can also induce immunity in progeny. Our results demonstrate that distinct stimuli can induce inherited immunity to provide resistance against multiple classes of pathogens. These results show that activation of an innate immune response can provide protection against pathogens not only within a generation, but also in the next generation.

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.

Abstract Geographically distinct populations can adapt to the temperature conditions of their local environment, leading to temperature-dependent fitness differences between populations. Consistent with local adaptation, phylogeographically distinct Caenorhabditis briggsae nematodes show distinct fitness responses to temperature. The genetic mechanisms underlying local adaptation, however, remain unresolved. To investigate the potential role of small noncoding RNAs in genotype-specific responses to temperature, we quantified small RNA expression using high-throughput sequencing of C. briggsae nematodes from tropical and temperate strain genotypes reared under three temperature conditions (14°C, 20°C, 30°C). Strains representing both tropical and temperate regions showed significantly lower expression of PIWI-interacting RNAs (piRNAs) at high temperatures, primarily mapping to a large ∼7 Mb long piRNA cluster on chromosome IV. We also documented decreased expression of 22G-RNAs antisense to protein-coding genes and other genomic features at high rearing temperatures for the thermally-intolerant temperate strain genotype, but not for the tropical strain genotype. Reduced 22G-RNA expression was widespread along chromosomes and among feature types, indicative of a genome-wide response. Targets of the EGO-1/CSR-1 22G-RNA pathway were most strongly impacted compared to other 22G-RNA pathways, implicating the CSR-1 Argonaute and its RNA-dependent RNA polymerase EGO-1 in the genotype-dependent modulation of C. briggsae 22G-RNAs under chronic thermal stress. Our work suggests that gene regulation via small RNAs may be an important contributor to the evolution of local adaptations.

Extracellular RNA has been proposed to mediate communication between cells and organisms however relatively little is understood regarding how specific sequences are selected for export. Here we describe a specific Argonaute protein (exWAGO) that is secreted in extracellular vesicles (EVs) released by the gastrointestinal nematode Heligmosomoides bakeri, at multiple copies per EV. Phylogenetic and gene expression analyses demonstrate exWAGO orthologues are highly conserved and abundantly expressed in related parasites but highly diverged in free-living genus Caenorhabditis. We show that the most abundant small RNAs released from the nematode parasite are not microRNAs as previously thought, but rather secondary small interfering RNAs (siRNAs) that are produced by RNA-dependent RNA Polymerases. The siRNAs that are released in EVs have distinct evolutionary properties compared to those resident in free-living or parasitic nematodes. Immunoprecipitation of exWAGO demonstrates that it specifically associates with siRNAs from transposons and newly evolved repetitive elements that are packaged in EVs and released into the host environment. Together this work demonstrates molecular and evolutionary selectivity in the small RNA sequences that are released in EVs into the host environment and identifies a novel Argonaute protein as the mediator of this.

Small RNAs (sRNAs) play an ancient role in genome defence against transposable elements. In animals, plants and fungi small RNAs guide Argonaute proteins to nascent RNA transcripts to induce co-transcriptional gene silencing. In animals the link between small RNA pathways and the transcriptional machinery remains unclear. Here we show that the Caenorhabditis elegans germline Argonaute HRDE-1 physically interacts with the conserved RNA helicase Aquarius/EMB-4. We demonstrate that the Aquarius/EMB-4 helicase activity is required to initiate small RNA-induced co-transcriptional gene silencing. HRDE-1 and Aquarius/EMB-4 are required to silence the transcription of overlapping sets of transposable elements. Surprisingly, removal of introns from a small RNA pathway target abolishes the requirement for Aquarius/EMB-4, but not HRDE-1, for gene silencing. We conclude that the Aquarius/EMB-4 helicase activity allows HRDE-1/sRNA complexes to efficiently engage nascent RNA transcripts - in competition with the general RNA processing machinery. We postulate that Aquarius/EMB-4 facilitates the surveillance of the nascent transcriptome to detect and silence transposable elements through small RNA pathways.