The role of ATR kinase during mammalian gametogenesis

Abstract

ATR és una proteïna cinasa essencial per a la viabilitat cel·lular que participa en els mecanismes de resposta al dany en el DNA per tal de mantenir la integritat del genoma. Aquesta proteïna es activada en resposta a regions de cadena simple del DNA (ssDNA) generades per la resecció dels trencaments de doble cadena (DSBs) i controla la progressió de les forques de replicació durant la fase S del cicle cel·lular. Durant la meiosi, un tipus de divisió cel·lular especialitzada per la qual les cèl·lules es divideixen per formar gàmetes haploides, es generen deliberadament una sèrie de DSBs en el genoma. La reparació d’aquests DSBs condueix a l’aparellament, sinapsi i recombinació dels cromosomes homòlegs creant connexions entre ells per tal de promoure la correcta segregació dels cromosomes durant la primera divisió meiòtica i evitar la formació de gàmetes aneuploides. Aquests processos son crucials per a la viabilitat de les cèl·lules meiòtiques, i per tant es troben altament regulats mitjançant diferents mecanismes que inclouen les vies de senyalització de les proteïnes d’ATM i ATR. Estudis citològics suggereixen que ATR està implicada en la reparació meiòtica, ja que s’ha demostrat que es troba als DSBs juntament amb altres proteïnes de resposta al dany el DNA, i que a més, participa en els processos meiòtics de silenciament transcripcional de les regions asinapsades del genoma. En aquest estudi s’ha emprat un model murí del Síndrome de Seckel humà, així com, tècniques de cultiu de teixit testicular per tal d’estudiar la funció d’ATR durant la meiosi de mamífers i la gametogènesi. Els nostres resultats posen de manifest que ATR és necessària per reparar els DSBs meiòtics mitjançant recombinació homòloga, i per tal de que es generin un nombre adequat de DSB als eixos cromosòmics que resten asinapsats al llarg de la profase. Errors en aquests processos afecten particularment als cromosomes sexuals provocant alteracions en la sinapsi. A més, la reducció del nivells d’ATR en els ovaris afecta al correcte desenvolupament de les cèl·lules fol·liculars donant lloc a defectes durant la fol·liculogènesi.

ATR kinase is one of the main players of the DNA damage response (DDR) machinery involved in maintaining genome integrity. ATR is mainly activated in response to ssDNA structures present at resected double strand breaks (DSBs) and in aberrant replicative structures. During meiosis, the specialized cell division that generates haploid gametes, hundreds of programmed DSBs are introduced in the genome. DSB repair promotes pairing, synapsis and recombination of homologous chromosomes creating connections between them to promote proper chromosome segregation, thus avoiding the formation of defective gametes. The correct execution of these processes is essential for meiocytes viability and is carefully controlled by different signaling mechanisms involving ATM and ATR proteins. Some studies have reported that ATR associates with meiotic chromosome axes. ATR colocalizes with other DDR proteins on meiotic recombination nodules and accumulates on unsynapsed chromosomes participating in meiotic transcriptional silencing of those regions. These evidences underline ATR involvement in DSB repair and mediating checkpoint responses. Here we used mouse model of human ATR-Seckel syndrome and a novel testis organ culture in order to investigate the role of ATR during mammalian meiosis and gametogenesis. Our findings showed that down-regulation of ATR function during meiotic prophase results in defective meiotic homologous recombination and reduced local DSB accumulation on unsynapsed axes as prophase progresses. Both alterations particularly concern XY pair leading to inaccurate sex chromosomes synapsis. Moreover, deficient ATR levels impair folliculogenesis progression compromising proper follicular development.