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Titel: More than protamines: Identification of further sperm proteins from which Prtl99C is essential for male fertility and full chromatin compaction in Drosophila melanogaster
Autor: Eren Ghiani, Zeynep
Weitere Beteiligte: Renkawitz-Pohl, Renate (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2017
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2016/0082
DOI: https://doi.org/10.17192/z2016.0082
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2016-00821
DDC: 570 Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.): Mehr als Protamine: Identifikation von weiteren Spermienproteinen von denen Prtl99C essentiell für die männliche Fertilität und Chromatinkompaktierung von Drosophila melanogaster ist

Dokument

Schlagwörter:
Taufliege, Protamine, Chromatinkompaktierung, Drosophila melanogaster, Histone-to-protamine switch, male infertility, chromatin

Summary:
Spermatogenesis is a highly conserved process that can be divided into three stages: pre-meiosis, meiosis and post-meiosis. At the end of the post-meiotic stage of spermatogenesis, a protamine rich spermatozoon is formed from a histone rich spermatid with round nucleus. During this stage, the chromatin is highly packed and the volume of the nucleus is remarkably reduced. Therefore, it is expectable that the poor packed chromatin within the sperm nuclei cannot protect the DNA properly against chemical and physical damage, potentially leading to mutations and infertility problems. In Drosophila, during the replacement process of histones by protamines several high mobility group-box (HMG-box) containing proteins are expressed. Our group previously identified Drosophila protamines being not essential for fertility in contrast to those of mice which cause sterility already in haplo-insufficiency. In both organisms, the compaction of the genome is very efficient despite of the mutated protamine genes. On the basis of these findings, we hypothesized that other proteins may act in functional redundancy or in an additive manner with protamines. For this reason, we searched for additional HMG-box-containing proteins which might play a role during chromatin condensation. We identified Prtl99C specifically expressed in male germ cells. We demonstrated with transgenic flies and with an antibody against Prtl99C that the protein persists until the mature sperm. Analysis of homozygous Prtl99C-ΔC sperm showed longer nuclei, indicating that the C-terminal region is required for chromatin compaction moreover affects male fertility. Knockdown of Prtl99C via RNA interference (RNAi) led also to elongation of the sperm nucleus region by about 35% yet the fertility was highly reduced. Whereas loss of protamines led to an 8% longer nucleus, deletion of both protamines and Prtl99C, led to an elongation of the sperm nucleus by 47%. Based on these findings, we proposed that many chromatin-binding proteins have a function in chromatin reorganization during spermatogenesis in favor of building a compacted male genome. The actual work presents for the first time a Drosophila sperm chromatin component that is essential for male fertility. The insights obtained from this study can help to understand in particular the condensation of the sperm genome carried out by several basic proteins. Lastly, we analyzed a comparative proteome approach to find more basic protein and identified a homolog to mammalian THEG as likely being essential for male fertility Drosophila.

Zusammenfassung:
Bei der Spermatogenese handelt es sich um den konservierten Prozess der männlichen Keimzellentwicklung, welcher im Wesentlichen aus drei Stadien besteht: prae-meiotische, meiotische und post-meiotische Stadien.,Nach der Meiose entwickelt sich aus einer Histon-reichen runden haploiden Spermatidenkern der Protamin-haltige Kern des nadelförmiger Spermium-.In dieser Phase wird das Chromatin neu organisiert und das Volumen des Nukleus dramatisch reduziert. Die Kompaktierung der DNA durch spezielle Chromatinkomponenten dient dem Schutz des väterlichen Erbguts gegen chemische und physikalische Schäden, um Mutationen und Fertilitätsdefekte zu verhindern. In Drosophila, wird der Austausch von Histonen zu Protaminen von der Expression weiterer HMG (high mobility group)-Box haltiger Proteine begleitet. Im Gegensatz zu Maus, führt ein Verlust der Protamine in Drosophila nicht zu Sterilität. Trotz Mutationen in den Protamin-Genen, findet jedoch in beiden Organismen eine effiziente Kompaktierung des väterlichen Genoms statt. Aufgrund dieser Kenntnisse wurde angenommen, dass neben den Protaminen noch weitere HMG-box-haltige Proteine an der Chromatin Kondensation beteiligt sein müssen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Protein Prtl99C identifiziert und charakterisiert, welches eine HMG-Box Domäne besitzt und spezifisch im späten Spermatiden exprimiert wird. Mittels einem GFP-gekoppelten Fusionsprotein, sowie einem Prtl99C-spezifischen Antikörper konnte das Protein in den reifen Spermienkernen detektiert werden. Analysen homozygoter Prtl99C-ΔC Mutanten zeigen verlängerte Spermienkerne und reduzierte Fertilität, demnach scheint der C-terminale Bereich von Prtl99C notwendig für die Chromatin_Kompaktierung zu sein. RNAi vermittelter Knock-down von Prtl99C führt ebenfalls zu einer Verlängerung der Spermienkerne bis zu 35% und einer reduzierten Fertilität. Während der Verlust der Protamine nur zu um 8% längeren Kernen führt, elongieren die Kerne bei Verlust von Protaminen und Prtl99C um bis zu 47%. Aufgrund dieser Ergebnisse wird postuliert, das während der Spermatogenese viele Chromatin-assoziierende Proteine eine Funktion in der Chromatin-Reorganisation ausüben, um ein kompaktes männliches Genom zu bilden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zum ersten Mal eine Chromatinkomponente des reifen Drosophila Spermiums beschrieben, welche essentiell für die männliche Fertilität ist. Die hier erzielten Erkenntnisse helfen, den Prozess der Kondensation des Spermiengenoms durch verschiedene in additiver Weise wirkende basische Proteine besser zu verstehen. Zusätzlich wurde durch Analysen vorhandener Testis Proteom Daten ein weiteres basisches Protein identifiziert, welches ein Homolog zu dem Mammalia THEG Protein darstellt und ebenso essentiell für die Fertilität von Drosophila sein könnte.


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