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Während der Spermatogenese finden erstaunliche Differenzierungsprozessen statt. Reguliert wird die Spermatogenese sowohl hormonell als auch durch Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Zelltypen und der extrazellulärer Matrix. Unterteilt wird die Spermatogenese in drei funktionelle Einheiten. Die Proliferationsphase, die Meiose und die Spermiogenese. Im Laufe der Proliferationsphase gehen aus den Spermatogonien, Spermatocyten hervor, die die Meiose durchlaufen. Während der Prophase I der Meiose kommt es zur Reduktion und Rekombination des genetischen Materials, was mit charakteristischen und höchst dynamischen Bewegungsvorgängen der Telomere einhergeht. Auf die Meiose folgt die Spermiogenese, in der das genetische Material in seine „Transportform“ überführt wird und aus einer stationären, zellverbundenen Einheit ein mobiles autark funktionierendes Vehikel des genetischen Materials wird; das Spermium. Um das Verständnis dieser Vorgänge zu erweitern wurden in dieser Arbeit die Verteilungsmuster einiger Proteine in der Kernhülle von Zellen der Spermatogenese, in Hinblick auf ihre dynamische Umverteilung untersucht. Bei diesen Proteinen handelte es sich um die SUN-Domänen Proteine und das meiosespezifische Lamin C2. Die SUN-Domänen Proteine sind Teil des membrandurchspannenden LINC-Komplexes, der Komponenten des Nukleoplasma mit denen des Cytoplasma verbindet. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die SUN-Domänen Proteine, Sun1 und Sun2 während der Meiose exprimiert werden, und an den Anheftungsplatten meiotischer Chromosomen lokalisieren und deren dynamisches Verteilungsmuster dem Verteilungsmuster der Telomere während der Prophase I der Meiose entsprechen. Dies deutet darauf hin, dass Sun1 und Sun2 eine tragende Rolle, während der koordinierten Bewegungsprozessen der Prophase I der Meiose spielen. In der Spermiogenese sind die SUN-Domänen Proteine, Sun1 und Sun3 vertreten. Dabei weist deren unterschiedliche Lokalisation an entgegengesetzten Zellpolen darauf hin, dass Sun1 und Sun3 möglicherweise unterschiedliche Funktionen bei der Umgestaltung des Spermienkopfes während der Spermiogenese erfüllen. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit war die Etablierung einer Mauslinie um die Rolle von Lamin C2 in der Meiose untersuchen zu können. Hierzu wurde eine Lamin C2 Knock-out Studie begonnen. In ersten Untersuchungen der knock-out Tiere konnte eine Größenreduktion der Hoden beobachtet werden. Ebenso konnte ein Abbruch der Meiose vermerkt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen, dass sowohl die SUN-Domänen Proteine, als auch Lamin C2, wichtige Rollen in dem komplexen Arrangement der Spermatogenese übernehmen.
The conspicuous colour sexual dimorphism of guppies has made them paradigmatic study objects for sex-linked traits and sex chromosome evolution. Both the X- and Y-chromosomes of the common guppy (Poecilia reticulata) are genetically active and homomorphic, with a large homologous part and a small sex specific region. This feature is considered to emulate the initial stage of sex chromosome evolution. A similar situation has been documented in the related Endler’s and Oropuche guppies (P. wingei, P. obscura) indicating a common origin of the Y in this group. A recent molecular study in the swamp guppy (Micropoecilia. picta) reported a low SNP density on the Y, indicating Y-chromosome deterioration. We performed a series of cytological studies on M. picta to show that the Y-chromosome is quite small compared to the X and has accumulated a high content of heterochromatin. Furthermore, the Y-chromosome stands out in displaying CpG clusters around the centromeric region. These cytological findings evidently illustrate that the Y-chromosome in M. picta is indeed highly degenerated. Immunostaining for SYCP3 and MLH1 in pachytene meiocytes revealed that a substantial part of the Y remains associated with the X. A specific MLH1 hotspot site was persistently marked at the distal end of the associated XY structure. These results unveil a landmark of a recombining pseudoautosomal region on the otherwise strongly degenerated Y chromosome of M. picta. Hormone treatments of females revealed that, unexpectedly, no sexually antagonistic color gene is Y-linked in M. picta. All these differences to the Poecilia group of guppies indicate that the trajectories associated with the evolution of sex chromosomes are not in parallel.
Meiotic chromosome movement is important for the pairwise alignment of homologous chromosomes, which is required for correct chromosome segregation. Movement is driven by cytoplasmic forces, transmitted to chromosome ends by nuclear membrane-spanning proteins. In animal cells, lamins form a prominent scaffold at the nuclear periphery, yet the role lamins play in meiotic chromosome movement is unclear. We show that chromosome movement correlates with reduced lamin association with the nuclear rim, which requires lamin phosphorylation at sites analogous to those that open lamina network crosslinks in mitosis. Failure to remodel the lamina results in delayed meiotic entry, altered chromatin organization, unpaired or interlocked chromosomes, and slowed chromosome movement. The remodeling kinases are delivered to lamins via chromosome ends coupled to the nuclear envelope, potentially enabling crosstalk between the lamina and chromosomal events. Thus, opening the lamina network plays a role in modulating contacts between chromosomes and the nuclear periphery during meiosis.
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.
Lamin C2
(2000)
In der Kernlamina von Spermatozyten von Nagetieren sind die Lamin A-Genprodukte, Lamin A und C, durch eine meiosespezifische Splicingvariante ersetzt. Dieses Lamin C2 unterscheidet sich auffallend von den somatischen Varianten in Struktur, Menge und Verhalten. Durch eine ektopische Expression von Lamin C2 als EGFP-Lamin C2-Fusionsprotein in einer somatischen Zellinie zeigte sich, daß eine neuartige Hexapeptidsequenz (GNAEGR) am N-terminalen Ende des Proteins anstelle der C-terminal gelegenen CaaX-Box somatischer Lamine für die Interaktion mit der Kernhülle verantwortlich ist. So ermöglicht eine posttranslationelle Myristylierung des ersten Glycins ein Membrantargeting, bei dem der hydrophobe Myristinsäurerest vergleichbar dem hydrophoben Farnesylrest am Cystein der Caax-Box mit den Fettsäureresten der Kernmembran interagiert. Die Deletion des Hexapeptids im Fusionsprotein EGFP-Lamin C2 und die seine N-terminale Insertion in das Fusionsprotein EGFP-Lamin C - es besitzt keine Caax-Box - bestätigt, daß allein das Hexapeptid das Membrantargeting steuert: Die Deletionsmutante EGFP-Lamin C2 bleibt diffus im Kern verteilt, während sich die Insertionsmutante EGFP-Lamin C im Bereich der Kernperipherie anreichert. Eine weitere Besonderheit stellt die Verteilung von Lamin C2 innerhalb der Kernhülle dar, denn es verteilt sich nicht gleichmäßig wie alle bisher bekannten Lamine, sondern bildet zahlreiche Aggregate. Nicht nur in der Kernhülle von Spermatozyten, sondern auch als Fusionsprotein in somatischen Zellen exprimiert, zeigt Lamin C2 diese Akkumulationen. Überraschenderweise treten die Synaptonemal-komplexenden nur im Bereich dieser Lamin C2-Aggregate mit der Kernhülle in Kontakt. Es wird daher postuliert, daß die Lamin C2-Aggregate der lokalen Verstärkung der Kernhülle dienen und wichtig für die auf die Prophase beschränkte Anheftung der SC an die Kernhülle sind. Da zudem in einer Kurzzeitkultur von Pachytänspermatozyten, in der die Prophase künstlich beschleunigt wird, gezeigt werden konnte, daß Lamin C2 mit Ende der Prophase I noch vor dem Auflösen der eigentlichen Kernhülle nicht mehr nachweisbar ist, scheint ein Zusammenhang zwischen Lamin C2 in der Kernhülle und der Umorganisation des genetischen Materials zu bestehen.
Molecular studies of meiosis in mammals have been long relegated due to some intrinsic obstacles, namely the impossibility to reproduce the process in vitro, and the difficulty to obtain highly pure isolated cells of the different meiotic stages. In the recent years, some technical advances, from the improvement of flow cytometry sorting protocols to single-cell RNAseq, are enabling to profile the transcriptome and its fluctuations along the meiotic process. In this mini-review we will outline the diverse methodological approaches that have been employed, and some of the main findings that have started to arise from these studies. As for practical reasons most studies have been carried out in males, and mostly using mouse as a model, our focus will be on murine male meiosis, although also including specific comments about humans. Particularly, we will center on the controversy about gene expression during early meiotic prophase; the widespread existing gap between transcription and translation in meiotic cells; the expression patterns and potential roles of meiotic long non-coding RNAs; and the visualization of meiotic sex chromosome inactivation from the RNAseq perspective.
Meiotic chromosomes undergo rapid prophase movements, which are thought to facilitate the formation of inter-homologue recombination intermediates that underlie synapsis, crossing over and segregation. The meiotic telomere complex (MAJIN, TERB1, TERB2) tethers telomere ends to the nuclear envelope and transmits cytoskeletal forces via the LINC complex to drive these rapid movements. Here, we report the molecular architecture of the meiotic telomere complex through the crystal structure of MAJIN-TERB2, together with light and X-ray scattering studies of wider complexes. The MAJIN-TERB2 2:2 hetero-tetramer binds strongly to DNA and is tethered through long flexible linkers to the inner nuclear membrane and two TRF1-binding 1:1 TERB2-TERB1 complexes. Our complementary structured illumination microscopy studies and biochemical findings reveal a telomere attachment mechanism in which MAJIN-TERB2-TERB1 recruits telomere-bound TRF1, which is then displaced during pachytene, allowing MAJIN-TERB2-TERB1 to bind telomeric DNA and form a mature attachment plate.
Unisexual reproduction, which generates clonal offspring, is an alternative strategy to sexual breeding and occurs even in vertebrates. A wide range of non-sexual reproductive modes have been described, and one of the least understood questions is how such pathways emerged and how they mechanistically proceed. The Amazon molly, Poecilia formosa, needs sperm from males of related species to trigger the parthenogenetic development of diploid eggs. However, the mechanism, of how the unreduced female gametes are produced, remains unclear. Cytological analyses revealed that the chromosomes of primary oocytes initiate pachytene but do not proceed to bivalent formation and meiotic crossovers. Comparing ovary transcriptomes of P. formosa and its sexual parental species revealed expression levels of meiosis-specific genes deviating from P. mexicana but not from P. latipinna. Furthermore, several meiosis genes show biased expression towards one of the two alleles from the parental genomes. We infer from our data that in the Amazon molly diploid oocytes are generated by apomixis due to a failure in the synapsis of homologous chromosomes. The fact that this failure is not reflected in the differential expression of known meiosis genes suggests the underlying molecular mechanism may be dysregulation on the protein level or misexpression of a so far unknown meiosis gene, and/or hybrid dysgenesis because of compromised interaction of proteins from diverged genomes.
Background: Telomeres have crucial meiosis-specific roles in the orderly reduction of chromosome numbers and in ensuring the integrity of the genome during meiosis. One such role is the attachment of telomeres to trans-nuclear envelope protein complexes that connect telomeres to motor proteins in the cytoplasm. These trans-nuclear envelope connections between telomeres and cytoplasmic motor proteins permit the active movement of telomeres and chromosomes during the first meiotic prophase. Movements of chromosomes/telomeres facilitate the meiotic recombination process, and allow high fidelity pairing of homologous chromosomes. Pairing of homologous chromosomes is a prerequisite for their correct segregation during the first meiotic division. Although inner-nuclear envelope proteins, such as SUN1 and potentially SUN2, are known to bind and recruit meiotic telomeres, these proteins are not meiosis-specific, therefore cannot solely account for telomere-nuclear envelope attachment and/or for other meiosis-specific characteristics of telomeres in mammals.
Results: We identify CCDC79, alternatively named TERB1, as a meiosis-specific protein that localizes to telomeres from leptotene to diplotene stages of the first meiotic prophase. CCDC79 and SUN1 associate with telomeres almost concurrently at the onset of prophase, indicating a possible role for CCDC79 in telomere-nuclear envelope interactions and/or telomere movements. Consistent with this scenario, CCDC79 is missing from most telomeres that fail to connect to SUN1 protein in spermatocytes lacking the meiosis-specific cohesin SMC1B. SMC1B-deficient spermatocytes display both reduced efficiency in telomere-nuclear envelope attachment and reduced stability of telomeres specifically during meiotic prophase. Importantly, CCDC79 associates with telomeres in SUN1-deficient spermatocytes, which strongly indicates that localization of CCDC79 to telomeres does not require telomere-nuclear envelope attachment.
Conclusion: CCDC79 is a meiosis-specific telomere associated protein. Based on our findings we propose that CCDC79 plays a role in meiosis-specific telomere functions. In particular, we favour the possibility that CCDC79 is involved in telomere-nuclear envelope attachment and/or the stabilization of meiotic telomeres. These conclusions are consistent with the findings of an independently initiated study that analysed CCDC79/TERB1 functions.
One of the fascinating features of meiotic prophase I, is the highly conserved
vigorous movements of homologous chromosomes. These movements are
critical for the success of essential events as homologs alignment, synapsis and
recombination. Several organisms studied so far, including mammals, worms,
yeast and plants achieve these movements by anchoring the chromosome ends
to specialized sites in the nuclear envelope (NE). This attachment requires
telomere adaptor proteins which have to date been identified in fission yeast
and mice.
The mouse meiosis-specific telomere adaptor proteins TERB1, TERB2, and
MAJIN are involved in the attachment of ubiquitous shelterin telomere to the
LINC complex, in an analogous mechanism as those described in fission yeast.
Despite the essential role of meiosis-specific telomere adaptor proteins, the
precise mechanism of anchorage of telomeres to the nuclear envelope, as well
as their evolutionary history, are still not well understood. Therefore, the main
aim of this thesis is to investigate the organization of the mouse meiosis-specific
telomere adaptor complex TERB1-TERB2-MAJIN and its evolutionary history.
In the first part of this thesis high-resolution Structured Illumination Microscopy
(SIM), indirect immunofluorescence and Telo-FISH on mouse spermatocytes
were used to determine precisely how the telomere complex proteins are
localized with relation to the shelterin telomeric TRF1 protein and telomeric
DNA. During zygotene and pachytene stages staining patterns revealed
extensively overlapping of meiotic telomere complex proteins distributions in
which TERB2 organization is more heterogeneous than TERB1 and MAJIN at
the chromosome ends. Further, TRF1 localization was shown at the side of
lateral elements (LEs) ends with grasp-like distribution surrounding the TERB1
and MAJIN signals in zygotene and pachytene stages. Interestingly, telomeric
DNA was shown to be laterally distributed and partially overlapping with the
more central distribution displayed by meiotic telomere complex proteins of LEs
ends. The combination of these results allowed to describe an alternative model
of the telomere attachment to the NE during meiotic prophase I. The second part of this thesis, analyses mouse TERB1, TERB2, and MAJIN
evolutionary history. The lack of similarity between mouse and fission yeast
meiotic-specific telomere adaptor proteins has raised the question about the
origin of this specific complex through evolution. To identify mouse TERB1,
TERB2, and MAJIN putative orthologues, computational approaches and
phylogenetic analyses were performed. Besides, to test their potential function
during meiosis, expression studies were conducted. From these analyses, it was
revealed that mouse meiosis-specific telomere complex is ancient, as it
originated as early as eumetazoans pointing to a single origin. The absence of
any homologs in Nematoda and only a few candidates detected in Arthropoda
for meiosis-specific telomere complex, seemed, that these proteins have been
lost/replaced or highly diversified in these lineages. Remarkably, TERB1, TERB2,
and MAJIN protein domains involved in the formation of the complex as well as
those required for the interaction with the telomere shelterin protein and the
LINC complexes revealed high sequence similarity across all clades. Finally,
gene expression in the cnidarian Hydra Vulgaris provided evidence that the
TERB1-TERB2-MAJIN complex is selectively expressed in the germline
suggesting conservation of meiotic functions across metazoan evolution.
In summary, this thesis provides significant insights into the meiosis-specific
telomere complex mechanism to engage telomeres to the nuclear envelope and
the elucidation of its origin in metazoans.