Regulation der Transkription und Translation von Mst77F und der Protamine und die Funktion der Protamine während der Spermiogenese von Drosophila

Während der Spermatogenese werden aus diploiden Zellen hochspezialisierte, bewegliche, haploide Spermien zur Fertilisation der Eizelle gebildet. Die grundlegenden Merkmale des Prozesses sind dabei zwischen Drosophila und Säugern konserviert. Im Spermatozyten-Stadium der Spermatogenese wird ein hochspezialisiertes Transkriptionsprogramm gestartet, wobei viele Gene einmalig in der Entwicklung abgelesen werden. Zusätzlich werden alle postmeiotisch in der Spermiogenese benötigten Gene transkribiert, da nach der Meiose die Transkription nahezu stoppt. Die mRNA dieser Gene wird über den 5´UTR translational reprimiert. Jene mRNAs werden in Drosophila von einem paralogen TFIID-Komplex transkribiert, der testisspezifische TAFs, die tTAF, enthält. Es konnte mit Anti-Sa- ChIPs gezeigt werden, dass die Transkription von ProtA, ProtB, und Mst77F, den Hauptkomponenten des Chromatins im reifen Spermium, direkt von den tTAFs abhängig ist. Wo die translational reprimierten mRNAs in der Zelle gespeichert werden, ist in Drosophila noch völlig unbekannt, deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Systeme, das MS2cp/MS2sl-System und das lN/BoxB-System, zur in vivo Lokalisation von mRNAs etabliert. Während der Bildung der Spermien kommt es zur Reorganisation des Chromatins. Dabei werden in Drosophila und in Säugern die Histone zuerst durch Transitionsproteine, und in einem weiteren Schritt durch Protamine ersetzt. Der Sinn dieser Umorganisation ist noch unklar, und die haploinsuffizienten Protamingene in Mäusen und Menschen können hier keine Antwort geben. Deshalb wurde in dieserArbeit eine Deletion der Protamingene ProtA und ProtB in Drosophila erzeugt (protD), protD-Männchen sind überraschenderweise fertil. Nur etwa 20% der späten Spermatidenkerne weisen einen morphologischen Defekt auf, die Kerne sind korrektgeformt, aber verkrumpelt oder verbogen. Charakteristika der Spermatogenese, wie die Bildung weitere chromatinorganisierender Proteine und das Auftreten der DNABrüche während der Chromatinreorganisation, sind von der Synthese der Protamine unabhängig. Jedoch sind protamindefiziente Spermien um 20% sensitiver gegenüber Röntgenstrahlung. Das unterstützt die Hypothese, dass die Protamine das exponierte Genom in Spermium vor mutagenen Einflüssen schützt

Regulation der Transkription und Translation von Mst77F und der Protamine und die Funktion der Protamine während der Spermiogenese von Drosophila

Während der Spermatogenese werden aus diploiden Zellen hochspezialisierte, bewegliche, haploide Spermien zur Fertilisation der Eizelle gebildet. Die grundlegenden Merkmale des Prozesses sind dabei zwischen Drosophila und Säugern konserviert. Im Spermatozyten-Stadium der Spermatogenese wird ein hochspezialisiertes Transkriptionsprogramm gestartet, wobei viele Gene einmalig in der Entwicklung abgelesen werden. Zusätzlich werden alle postmeiotisch in der Spermiogenese benötigten Gene transkribiert, da nach der Meiose die Transkription nahezu stoppt. Die mRNA dieser Gene wird über den 5´UTR translational reprimiert. Jene mRNAs werden in Drosophila von einem paralogen TFIID-Komplex transkribiert, der testisspezifische TAFs, die tTAF, enthält. Es konnte mit Anti-Sa- ChIPs gezeigt werden, dass die Transkription von ProtA, ProtB, und Mst77F, den Hauptkomponenten des Chromatins im reifen Spermium, direkt von den tTAFs abhängig ist. Wo die translational reprimierten mRNAs in der Zelle gespeichert werden, ist in Drosophila noch völlig unbekannt, deshalb wurden im Rahmen dieser Arbeit zwei Systeme, das MS2cp/MS2sl-System und das lN/BoxB-System, zur in vivo Lokalisation von mRNAs etabliert. Während der Bildung der Spermien kommt es zur Reorganisation des Chromatins. Dabei werden in Drosophila und in Säugern die Histone zuerst durch Transitionsproteine, und in einem weiteren Schritt durch Protamine ersetzt. Der Sinn dieser Umorganisation ist noch unklar, und die haploinsuffizienten Protamingene in Mäusen und Menschen können hier keine Antwort geben. Deshalb wurde in dieserArbeit eine Deletion der Protamingene ProtA und ProtB in Drosophila erzeugt (protD), protD-Männchen sind überraschenderweise fertil. Nur etwa 20% der späten Spermatidenkerne weisen einen morphologischen Defekt auf, die Kerne sind korrektgeformt, aber verkrumpelt oder verbogen. Charakteristika der Spermatogenese, wie die Bildung weitere chromatinorganisierender Proteine und das Auftreten der DNABrüche während der Chromatinreorganisation, sind von der Synthese der Protamine unabhängig. Jedoch sind protamindefiziente Spermien um 20% sensitiver gegenüber Röntgenstrahlung. Das unterstützt die Hypothese, dass die Protamine das exponierte Genom in Spermium vor mutagenen Einflüssen schützt

H3K79 methylation: a new conserved mark that accompanies H4 hyperacetylation prior to histone-to-protamine transition in Drosophila and rat

During spermiogenesis, haploid spermatids undergo extensive chromatin remodeling events in which histones are successively replaced by more basic protamines to generate highly compacted chromatin. Here we show for the first time that H3K79 methylation is a conserved feature preceding the histone-to-protamine transition in Drosophila melanogaster and rat. During Drosophila spermatogenesis, the Dot1-like methyltransferase Grappa (Gpp) is primarily expressed in canoe stage nuclei. The corresponding H3K79 methylation is a histone modification that precedes the histone-to-protamine transition and correlates with histone H4 hyperacetylation. When acetylation was inhibited in cultured Drosophila testes, nuclei were smaller and chromatin was compact, Gpp was little synthesized, H3K79 methylation was strongly reduced, and protamines were not synthesized. The Gpp isoform Gpp-D has a unique C-terminus, and Gpp is essential for full fertility. In rat, H3K79 methylation also correlates with H4 hyperacetylation but not with active RNA polymerase II, which might point towards a conserved function in chromatin remodeling during the histone-to-protamine transition in both Drosophila and rat

The somatic piRNA pathway controls germline transposition over generations

International audienceTransposable elements (TEs) are parasitic DNA sequences that threaten genome integrity by replicative transposition in host gonads. The Piwi-interacting RNAs (piRNAs) pathway is assumed to maintain Drosophila genome homeostasis by downregulating transcriptional and post-transcriptional TE expression in the ovary. However, the bursts of transposition that are expected to follow transposome derepression after piRNA pathway impairment have not yet been reported. Here, we show, at a genome-wide level, that piRNA loss in the ovarian somatic cells boosts several families of the endogenous retroviral subclass of TEs, at various steps of their replication cycle, from somatic transcription to germinal genome invasion. For some of these TEs, the derepression caused by the loss of piRNAs is backed up by another small RNA pathway (siRNAs) operating in somatic tissues at the post transcriptional level. Derepressed transposition during 70 successive generations of piRNA loss exponentially increases the genomic copy number by up to 10-fold