Canonical RNA interference (RNAi) is sequence-specific mRNA degradation guided by small interfering RNAs (siRNAs) made from double-stranded RNA (dsRNA) by RNase III Dicer. RNAi has different roles including gene regulation, antiviral immunity or defense against transposable elements. In mammals, RNAi is constrained by Dicer, which is adapted to produce microRNAs, another class of small RNAs. However, RNAi exists in mouse oocytes, which employs a truncated Dicer variant. A homozygous mutation to express only the truncated variant (ΔHEL1) causes dysregulation of microRNAs and perinatal lethality in mice. Here, we report the phenotype and RNAi activity in DicerΔHEL1/wt mice, which are viable, show minimal miRNome changes but their endogenous siRNA levels are increased by an order of magnitude. We show that siRNA abundance is limited by available dsRNA but not by PKR, a dsRNA sensor of innate immunity. Expressing dsRNA from a transgene, functional RNAi in vivo was induced in heart. DicerΔHEL1/wt mice thus represent a new model for researching mammalian canonical RNAi in vivo and offer an unprecedented platform for addressing claims about its biological roles.

Abstract RNA interference (RNAi) and PIWI-associated RNAs (piRNA) pathways use small RNAs as sequence-specific guides to repress transposable elements. In mice, the loss of Mili , an essential piRNA pathway factor, causes male sterility associated with mobilization of LINE L1 retrotransposons while female mutants remain fertile. At the same time, mouse oocytes have exceptionally active RNAi thanks to an oocyte-specific variant of RNase III Dicer, which efficiently makes small RNAs from long dsRNA substrates. In oocytes of mice lacking functional MILI and the oocyte-specific Dicer variant, we previously observed that L1 retrotransposons are redundantly targeted by both, RNAi and piRNA pathways. To test whether enhanced RNAi may reduce the Mili mutant phenotype in testes, we used transgenic mice ectopically expressing the oocyte-specific Dicer variant during spermatogenesis. We report here that this genetic modification increases siRNA biogenesis and supports RNAi but is not sufficient to reduce spermatogenic defects caused by the loss of Mili .

Abstract Mammalian Dicer is the gatekeeper into the essential gene-regulating miRNA pathway. What is committing mammalian Dicer to the miRNA pathway remains unknown. We report that Dicer’s highly conserved DExD/H helicase domain is the key structural element supporting accurate miRNA biogenesis. While ATPase activity of the domain is non-essential, its loss is lethal in mice. It is required during canonical miRNA biogenesis for efficient recognition, high-fidelity cleavage, and strand selection. Structure of Dicer-miRNA precursor complexes showed that the DExD/H domain acquired helicase-unrelated function defining Dicer conformations, which affect substrate loading and facilitate pre-selection of miRNA precursors. Dicer lacking the DExD/H domain favors conformations enabling reduced substrate selectivity and supporting RNA interference, a different small RNA pathway. Therefore, Dicer’s DExD/H domain ensures indispensable high-fidelity precursor processing of mammalian miRNAs, which constitutes a structural “mold” for adaptive miRNA evolution.

RNA interference (RNAi) is sequence-specific mRNA degradation guided by small RNAs (siRNAs) produced from long double-stranded RNA (dsRNA) by RNase Dicer. Proteins executing RNAi are present in mammalian cells but sustain a gene-regulating microRNA pathway while dsRNA-induced innate immunity relies on a sequence-independent interferon response. While striving to benchmark mammalian RNAi analysis, we report that the main RNAi constraint is siRNA production, which integrates Dicer activity, dsRNA structure, and siRNA targeting efficiency. Unexpectedly, increased expression of dsRNA-binding Dicer co-factors TARBP2 or PACT reduces RNAi but not microRNA function. Elimination of Protein Kinase R, a key dsRNA sensor for interferon response, had minimal positive effects in fibroblasts. Without increasing Dicer activity, RNAi can occur when the first Dicer cleavage of an abundant dsRNA produces an efficient siRNA. In mammals, efficient RNAi may effectively employ substrates, which have some features of microRNA precursors, hence bringing the two pathways mechanistically even closer. At the same time, Dicer substrate optimization, which viruses would avoid, represents an opportunity for evolving RNAi, yet unlikely as an antiviral system.

Germline genome defense evolves to recognize and suppress retrotransposons. One of defensive mechanisms is the PIWI-associated RNA (piRNA) pathway, which employs small RNAs for sequence-specific post-transcriptional and transcriptional repression. The loss of the piRNA pathway in mice causes male sterility while females remain fertile. Unlike spermatogenic cells, mouse oocytes have also RNA interference (RNAi), another small RNA pathway capable of retrotransposon suppression. To examine whether RNAi compensates the loss of the piRNA pathway in mouse oocytes, we produced a new RNAi pathway mutant DicerSOM and crossed it with a catalytically-dead mutant of Mili, an essential piRNA gene. Normal follicular and oocyte in double mutants showed that RNAi does not suppress a strong piRNA knock-out phenotype. However, we observed redundant and non-redundant targeting of specific retrotransposons. Intracisternal A Particle retrotransposon was mainly targeted by the piRNA pathway, MT and RLTR10 retrotransposons were targeted mainly by RNAi. Importantly, only double mutants showed increased background levels of transcripts potentially originating from intact LINE-1 elements. Our results thus show that while both small RNA pathways are simultaneously expendable defense pathways for ovarian oocyte development, yet another transcriptional silencing mechanism must mediate LINE-1 repression in female germ cells.

Abstract In RNA interference (RNAi), long double-stranded RNA (dsRNA) is cleaved by Dicer endonuclease into small RNA interfering RNAs (siRNAs), which guide degradation of complementary RNAs. While RNAi mediates antiviral innate immunity in plants and many invertebrates, vertebrates adopted sequence-independent response and their Dicer produces siRNAs inefficiently because it is adapted to process small hairpin microRNA precursors in the gene-regulating microRNA pathway. Mammalian RNAi is thus a rudimentary pathway of unclear significance. To investigate its antiviral potential, we modified mouse Dicer locus to express a truncated variant (Dicer ΔHEL1 ) known to stimulate RNAi. Next, we analyzed how Dicer ΔHEL1/wt mice respond to four RNA viruses: Coxsackievirus B3 (CVB3) and encephalomyocarditis virus (ECMV) from Picornaviridae ; tick-borne encephalitis virus (TBEV) from Flaviviridae ; and lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) from Arenaviridae . Increased Dicer activity in Dicer ΔHEL1/wt mice did not elicit any antiviral effect. supporting insignificant antiviral function of endogenous mammalian RNAi in vivo . However, we also report that sufficiently high expression of Dicer ΔHEL1 suppressed LCMV in embryonic stem cells and in a transgenic mouse model. Altogether, mice with increased Dicer activity offer a new benchmark for identifying and studying viruses susceptible to mammalian RNAi in vivo .