Caracterització funcional de dBigH1: la variant germinal i embrionària d'histona H1 a Drosophila

Abstract

Durant el desenvolupament d’aquesta tesi doctoral hem identificat i caracteritzat la variant d’histona H1 present a la línia germinal i l’embrió primerenc de Drosophila melanogaster.

Els metazous contenen múltiples variants d’histona H1. Particularment, la majoria d’espècies estudiades contenen diverses variants d’histona H1 que reemplacen les H1 somàtiques a la línia germinal i als primers estadis del desenvolupament embrionari. Drosophila era l’excepció ja que, fins ara tan sols es coneixia una única histona H1, que s’expressa des de la cel·lularització de l’embrió i que perdura durant tot el cicle biològic de la mosca.

En aquest treball hem identificat la histona H1 embrionària i de la línia germinal de D.melanogaster, dBigH1. dBigH1 és molt abundant durant els primers estadis embrionaris, abans de la cel·lularització de l’embrió, quan la histona H1 somàtica (dH1) és absent i el genoma zigòtic es troba silenciat. Durant la cel·lularització, quan el genoma del zigot s’activa progressivament, dH1 reemplaça dBigH1 a les cèl·lules somàtiques. Tot i això, dBigH1 es reté a les primordial germ cells (PGCs) com a mínim fins l’estadi 12. Aquestes cèl·lules donaran lloc a la línia germinal del futur organisme.

En aquest treball vam generar una mutació de falta de funció de dBigH1 a la qual vam anomenar dbigH1100. Els embrions mutants dbigH1100 presenten una activació prematura del genoma zigòtic, tan a les cèl·lules somàtiques com a les PGCs. Els embrions mutants dbigH1100 moren abans de la cel·lularització i presenten un augment dels nivells de RNA Polimerasa II elongant i un augment de trànscrits zigòtics. A més a més, la letalitat va acompanyada de dany al DNA i defectes mitòtics. Aquests resultats suggereixen que dBigH1 té una funció essencial en la regulació de l’activació del genoma zigòtic durant la cel·lularització.

De la mateixa forma que altres metazous, dBigH1 també es troba present a la línia germinal femenina. Tot i això, a diferència d’altres espècies estudiades, on existeixen variants d’H1 específiques de mascle, dBigH1 també es troba present a la línia germinal masculina. Tan a les gònades masculines com a les femenines, dBigH1 està expressada a les cèl·lules mare germinals (GSC), que es troben adherides a un nínxol que ajuda al seu manteniment com a cèl·lules mare. A les gònades masculines dBigH1 no està present a la regió proliferativa, on hi ha els grups d’espermatogònies, i torna a expressar-se als espermatòcits. A les gònades femenines, dBigH1 té un patró de localització similar ja que es troba absent a les oogònies proliferants, però torna a expressar-se a les cambres ovàriques.

En una condició de falta de funció de dBigH1 es produeixen defectes en la gametogènesi masculina i es detecta una acumulació d’espermatogònies. En aquestes gònades es produeix un augment dels nivells de Bam, un factor de diferenciació clau en aquest procés. En una situació control, els nivells de Bam augmenten durant la fase proliferativa, però aquest gen es torna a mantenir silenciat per tal que les espermatogònies deixin de proliferar i es diferenciïn a espermatòcits. Aquests resultats suggereixen que dBigH1 té una contribució en la regulació de l’expressió de bam durant la diferenciació de les espermatogònies.

A més a més, també hem mostrat que la distribució de dBigH1 al llarg de la cromatina dels espermatòcits correlaciona negativament amb l’expressió gènica. Així doncs, els gens que es troben silenciats tenen un contingut alt en dBigH1, mentre que els gens més expressats tenen un contingut menor en la proteïna. De fet, en una situació de falta de funció de dBigH1 als espermatòcits, es produeix un augment de l’expressió d’aquells gens que, en una situació control, es troben silenciats. Aquests resultats suggereixen que dBigH1 també té una contribució en la regulació de l’expressió gènica durant la gametogènesi masculina.

During the development of this thesis we have descrived the germline and embryonic histone H1 variant of Drosophila melanogaster.

Metazoans usually contain multiple histone H1 variants. In particular, specific variants replace somatic histone H1s in the germline and early embryogenesis. In this regard, Drosophila was an exception because a single dH1 was known. During this work, we identified the embryonic histone H1 of Drosophila, dBigH1. dBigH1 is abundant during early embryogenesis before cellularization occurs, when the somatic H1 is absent and the zygotic genome is inactive. Upon cellularization, when the zygotic genome si progressively activated, dH1 replaces dBigH1 in the soma, but not in the primordial germ cells (PGCs). dBigH1 loss-of-function mutant embryos show premature zygotic genome activation, both in the soma and the PGCs. Mutant embryos die at cellularization, showing increased levels of active RNApol II and zygotic transcripts, along with DNA damage and mitotic defects. These results show an essential function of dBigH1 in zygotic genome activation regulation.

Like in other metazoans, dBigH1 is present in the female germline. However, it is also present in the male germline, while other metazoans contain diferent male-specific H1s. In the gonads, dBigH1 is expressed in the germ stem cells attached to the stem cell niche, both in males and females. In male gonads it is also present in the spermatocytes and, in the female gonads, it is also present in the egg chambers. dBigH1 knock-down testis have problems in the regulation of spermatogenesis, which results in spermatogonia accumulation and a decrease in male fertility. This is due to an upregulation of bam, a key regulator of this process. These results show a dBigH1 contribution in the regulation of bam expression during gametogenesis.

Moreover, we also show that dBigH1 distribution across spermatocytes chromatin negativelly correlates with gene expression. dBigH1 is accumulated in genes which must remain silenced, whereas genes highly expressed in these cells contain less dBigH1 content. In this regard, a dBigH1 knock-down condition show an upregulation of these silenced genes. These results show that dBigH1 also contributes to transcriptional regulation in the germline.