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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.
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.