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Die Kernhülle umgibt als geschlossenes Membransystem einen jeden Zellkern und ist damit ein gemeinsames Merkmal aller eukaryotischen Zellen. Sie besteht aus einer inneren und einer äußeren Kernmembran sowie der nukleoplasmatischen Kernlamina, die aufgrund zahlreicher assoziierter Proteine in enger Wechselbeziehung mit der inneren Kernmembran steht. Neben der rein räumlichen Trennung nukleärer und zytoplasmatischer Strukturen hat die Kernhülle bedeutenden regulatorischen Einfluss auf die gesamte Zelle. So ist sie unter anderem an der Steuerung der genomischen Aktivität, an der nukleo- und zytoplasmatischen Signalübertragung und in hohem Maße an der Positionierung und Formerhaltung des Zellkerns beteiligt. Es mehren sich die Hinweise, dass die Kernhülle auch während der Gametogenese, der Differenzierung befruchtungsfähiger Keimzellen, eine zentrale Rolle einnimmt und folglich auch mit bislang ungeklärten Ursachen humaner Infertilität in Kontext stehen könnte. Um die Bedeutung der Kernhülle für die Keimbahn der Säuger generell besser verstehen zu können, wurden in dieser Arbeit ausgewählte Bestandteile der Keimzellkernhülle untersucht. Dadurch sollte der Kenntnisstand erweitert werden, in welcher Weise die Kernhülle dynamische, morphologische und vor allem für die Keimbahn essentielle Prozesse beeinflusst; insbesondere während der meiotischen und der postmeiotischen Differenzierungsphase bei männlichen Mäusen. Im Mittelpunkt stand dabei einerseits Lamin C2, ein meiosespezifisches A-Typ Lamin, dessen Verlust zu einer schwer geschädigten Meiose und infolgedessen zu vollständiger männlicher Infertilität führt. Es zeigte sich, dass Lamin C2-defiziente männliche Mäuse schwerwiegende Defekte bei der Paarung und Synapsis der homologen Chromosomen in der meiotischen Prophase I aufweisen und aufgrund apoptotischer Spermatocyten keine reifen Spermien bilden können. Es wird angenommen, dass die Assoziation homologer Chromosomen bzw. die Abstoßung nicht-homologer durch gerichtete Telomerbewegungen entlang der Kernhüllenperipherie vorangetrieben bzw. verhindert wird. Da Lamin C2 seinerseits diese Wanderung der Telomere durch eine Flexibilisierung der Spermatocytenkernhülle vereinfachen soll, ist es durchaus vorstellbar, dass sein Verlust verlangsamte Telomerbewegungen, eine gestörte Homologenfindung und folglich Fehlpaarungen zur Folge hat. Ein weiteres zentrales Thema war die Erforschung potentieller LINC-Komplexe während der Differenzierungs- und morphologischen Umgestaltungsphase postmeiotischer Keimzellen. LINC-Komplexe sind kernhüllendurchspannende Proteingebilde aus SUN-Proteinen in der inneren und Nesprinen in der äußeren Kernmembran, die nukleäre Strukturen an das Zytoskelett binden. Da sie aufgrund dieser strukturellen Eigenschaft die Kernmorphologie beeinflussen können, erscheinen sie als äußerst geeignet, an der Formierung des Spermienkopfes beteiligt zu sein. Die detaillierte Untersuchung spermiogeneserelevanter LINC-Komplex-Bestandteile ergab, dass während der Spermiogenese tatsächlich zwei neue, strukturell einzigartige LINC-Komplexe gebildet werden, die darüber hinaus auf den entgegengesetzten Seiten differenzierender Spermatiden polarisieren. Da sie den Kern dort an jeweils spezielle Zytoskelettelemente binden könnten, wurde in dieser Arbeit das Modell der LINC-Komplex vermittelten Umformung des Spermienkopfes aufgestellt. Insgesamt trägt diese Arbeit durch die funktionelle Analyse von Lamin C2 und die Identifizierung neuer LINC-Komplexe dazu bei, die Wichtigkeit der Kernhülle für die Spermatogenese zu vertiefen und auszuweiten.
LINC complexes are evolutionarily conserved nuclear envelope bridges, composed of SUN (Sad-1/UNC-84) and KASH (Klarsicht/ANC-1/Syne/homology) domain proteins. They are crucial for nuclear positioning and nuclear shape determination, and also mediate nuclear envelope (NE) attachment of meiotic telomeres, essential for driving homolog synapsis and recombination. In mice, SUN1 and SUN2 are the only SUN domain proteins expressed during meiosis, sharing their localization with meiosis-specific KASH5. Recent studies have shown that loss of SUN1 severely interferes with meiotic processes. Absence of SUN1 provokes defective telomere attachment and causes infertility. Here, we report that meiotic telomere attachment is not entirely lost in mice deficient for SUN1, but numerous telomeres are still attached to the NE through SUN2/KASH5-LINC complexes. In Sun12/2 meiocytes attached telomeres retained the capacity to form bouquetlike clusters. Furthermore, we could detect significant numbers of late meiotic recombination events in Sun12/2 mice. Together, this indicates that even in the absence of SUN1 telomere attachment and their movement within the nuclear envelope per se can be functional.
Author summary:
Correct genome haploidization during meiosis requires tightly regulated chromosome movements that follow a highly conserved choreography during prophase I. Errors in these movements cause subsequent meiotic defects, which typically lead to infertility. At the beginning of meiotic prophase, chromosome ends are tethered to the nuclear envelope (NE). This attachment of telomeres appears to be mediated by well-conserved membrane spanning protein complexes within the NE (LINC complexes). In mouse meiosis, the two main LINC components SUN1 and SUN2 were independently described to localize at the sites of telomere attachment. While SUN1 has been demonstrated to be critical for meiotic telomere attachment, the precise role of SUN2 in this context, however, has been discussed controversially in the field. Our current study was targeted to determine the factual capacity of SUN2 in telomere attachment and chromosome movements in SUN1 deficient mice. Remarkably, although telomere attachment is impaired in the absence of SUN1, we could find a yet undescribed SUN1-independent telomere attachment, which presumably is mediated by SUN2 and KASH5. This SUN2 mediated telomere attachment is stable throughout prophase I and functional in moving telomeres within the NE. Thus, our results clearly indicate that SUN1 and SUN2, at least partially, fulfill redundant meiotic functions.