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Titel:Chromatin condensation during Drosophila spermiogenesis and decondensation after fertilization.
Autor:Jayaramaiah Raja, Sunil
Weitere Beteiligte: Renkawitz-Pohl, Renate
Veröffentlicht:2005
URI:https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2005/0138
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2005-01388
DOI: https://doi.org/10.17192/z2005.0138
DDC: Biowissenschaften, Biologie
Titel(trans.):Chromatinkondensation während der Spermiogenese von Drosophila und Dekondensation nach der Befruchtung.
Publikationsdatum:2005-09-09
Lizenz:https://rightsstatements.org/vocab/InC-NC/1.0/

Dokument

Schlagwörter:
Drosophila melanogaster, HIRA and Fertilization, Protamines, HIRA und Befruchtung, Spermatogenese, Spermatogenese, Spermatogenesis, Drosophila melanogaster, Befruchtung, Drosophila melanogaster, Protamine

Summary:
Eine typische Eigenschaft der männlichen Keimzellen ist die Kondensation des Chromatins. Während in Säugern bekannt ist, dass in der Spermiogenese die Histone zuerst durch Transitionsproteine und dann durch Protamine ersetzt werden, ist in Drosophila wenig darüber bekannt. Im Folgenden charakterisiere ich die drei testisspezifisch exprimierten Drosophila Gene Mst35Ba, Mst35Bb und Mst77F. Mit eGFP Fusionsproteinen zeige ich, dass Mst35Ba und Mst35Bb tatsächlich für dProtA (Drosophila ProtaminA) beziehungsweise dProtB (Drosophila ProtaminB) kodieren und eine Identität von 94% zueinander zeigen. Die Protamine von Drosophila sind beträchtlich größer als die der Säuger, enthalten aber ebenfalls beide typische Cystein/Arginin Blöcke. Die ektopische Expression von dProtA und dProtB in den Speicheldrüsen führt zur ausschließlichen Lokalisation dieser Proteine im Kern. Beide Protamine binden an die Polytänchromosomen ohne irgendeine Präferenz für das Eu- oder Heterochromatin, was das Bindeverhalten der Protamine in den Kernen der Spermien widerspiegelt. Anders als in Säugern sind die Protamingene von Drosophila nicht haploinsufficient. Bei der Durchmusterung der Mutantenkollektion aus dem Zuker-Labor konnte keine Mutation in einem der beiden Protamingene gefunden werden, was für eine funktionelle Redundanz spricht. Mst77F kodiert für ein spermatidenspezifisches Linker-Histon-ähnliches Protein. Das Expressionsmuster von Mst77F deckt sich mit dem der Protamine. Mst77F zeigt große Ähnlichkeit zum Säugerprotein HILS1. ProtaminA-eGFP, ProtaminB-eGFP und Mst77F-eGFP tragende transgene Drosophila-Linien zeigen, dass diese Proteine zu wichtigen chromosomalen Proteinbestandteilen ab dem Kanustadium elongierender Spermatiden und in den Kernen reifer Spermien werden, während His2AvDGFP im Kanustadium abgebaut wird. Der Übergang von der nukleosomalen zu der auf Protaminen basierenden Chromatinkonfiguration findet also im Kanustadium der Spermatidenentwicklung statt. Mst77F Mutanten (ms(3)nc3) zeichnen sich durch kleine runde Kerne aus und sind männlich steril. Diese Daten lassen vermuten, dass der generelle Mechanismus der Chromatinkondensierung in Drosophila mit dem in Säugern vergleichbar ist. Während des Kanustadiums der Spermatidenentwicklung wird Histon H2AvD abgebaut. Im Folgenden zeige ich eine neue Funktion von UbcD1, einem E2-Ubiquitin konjugierenden Enzym, das für den Abbau von H2AvD nötig ist. Auch die E3 Ligasen Cullin-1 und Cullin-3 werden beide während der Drosophila Spermatogenese exprimiert. Cullin-1 wird in allen frühen Keimzellen in den Fusomen exprimiert und während der Meiose abgebaut. In späteren Stadien wird Cullin-1 erneut exprimiert und ist während des Kanustadiums der Spermatidendifferenzierung im perinuklearen Bereich lokalisiert. Cullin-3 wird in den elongierten Spermatiden exprimiert. Während der frühen Befruchtungsstadien enthält der väterliche Pronukleus noch Protamine und Mst77F, gewinnt aber vor der Zygotenbildung eine nukleosomale Konfiguration. In den von Sesame-mutanten Weibchen gelegten Eiern behält der väterliche Pronukleus die auf Protaminen basierende Chromatinkonfiguration bei, während Mst77F-eGFP entfernt wird. Dies deutet darauf hin, dass das sesame Genprodukt (HIRA) für den Abbau der Protamine essentiell ist, während der Abbau von Mst77F unabhängig von Sesame erfolgt.

Zusammenfassung:
Chromatin condensation is a typical feature of sperm cells. During mammalian spermiogenesis, histones are first replaced by transition proteins and then by protamines, while little is known for Drosophila. Here I characterize three male specific genes in the fly genome, Mst35Ba, Mst35Bb and Mst77F. With eGFP fusion for these above mentioned proteins, I show here that Mst35Ba and Mst35Bb indeed encode for dProtA (Drosophila ProtamineA) and dProtB (Drosophila ProtamineB), respectively and show 94% identity to each other. Drosophila protamines are considerably larger than mammalian protamines, but, as in mammals, both protamines contain typical cysteine/arginine clusters. Ectopic expression of both dProtA and dProtB in the salivary gland cells localizes to the nucleus. Both the protamines binds to the polytene chromosomes without any specificity for the euchromatin or the heterochromatin reflecting the binding status of protamines in sperm nucleus. Unlike in mammals, Drosophila protamine genes are not haplo insufficient. Screening of Zuker mutant collection did not show any mutation in both protamine genes, which argues for functional redundancy. Mst77F encode a spermatid specific linker histone-like protein. The expression pattern of Mst77F overlaps the pattern of protamines as a chromatin component. Mst77F shows significant similarity to mammalian HILS1 protein. The ProtamineA-eGFP, ProtamineB-eGFP and Mst77F-eGFP carrying Drosophila lines show that these proteins become the important chromosomal protein components at the canoe stage in elongating spermatids and stays in mature sperm nucleus and His2AvDGFP vanishes at the canoe stage. Thus, transition from histone based nucleosomal configuration to protamine based chromatin configuration takes place at the canoe stage of spermatid development. Mst77F mutants (ms(3)nc3) are characterized by small round nuclei and are male sterile. These data suggests, the major feature of chromatin condensation in Drosophila spermatogenesis corrrespond to those in mammals. During the canoe stage of spermatid development, histone H2AvD is degraded. Here I show a novel function of UbcD1 an E2-ubiquitin conjugating enzyme that is required for H2AvD degradation. E3 ligase Cullin-1 and Cullin-3 both are expressed during Drosophila spermatogenesis. Cullin-1 is expressed in all early germ cells and localizes to the fusomes and degraded during meiosis. In the later stages, Cullin-1 is expressed again and localizes to the perinuclear space at the canoe stage of spermatid differentiation. Cullin-3 is expressed in the elongated spermatids. During early fertilization steps, the paternal pronucleus still contains protamines and Mst77F, but regains a nucleosomal conformation before zygote formation. In eggs laid by sesame mutant females, the paternal pronucleus remains in a protamine-based chromatin status, but Mst77F-eGFP is removed, suggesting that the sesame gene product (HIRA) is essential for removal of protamines while Mst77F removal is independent of Sesame.


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