Surveillance mechanisms in mammalian meiosis

Abstract

Per tal de protegir les cèl·lules germinals de sofrir inestabilitat genòmica, diversos mecanismes de control s’encarreguen de que la progressió de la meiosis sigui correcte. En mamífers, els espermatòcits que presenten defectes de recombinació o de la formació de la vesícula sexual pateixen un bloqueig a l’estadi de paquitè. Estudis previs del nostre laboratori descriuen que la via complex MRE11-ATM-CHK2 activa l’arrest dependent de recombinació en presència de trencaments de doble cadena (DSBs) no reparats. L’objectiu d’aquest treball ha estat identificar si els membres de la família p53, els quals són possibles substrats de ATM i CHK2, participen en l’activació del arrest depenent de recombinació. En una aproximació genètica, hem obtingut ratolins doble mutants portadors d’una mutació de un membre de la família p53 (p53, Tap63 o p73) en un fons defectiu per Trip13. La mutació de Trip13 causa defectes de recombinació, el qual activa l’arrest depenent de recombinació en els espermatòcits a l’estadi de paquitè. Per tant, hem estudiat com l’absència d’algun membre de la família p53 afectava aquest fenotip d’arrest el espermatòcits Trip13mod/mod. Els nostres resultats demostren que tant la deficiència de p53 com Tap63, però no p73, permeten que els espermatòcits progressin més enllà i arribin a l’estadi de paquitè tardà tot i acumular nombrosos DSBs no reparats. Addicionalment, l’absència de p53 o Tap63 resulta en una disminució del nombre d’espermatòcits apoptòtics a l’estadi de paquitè primerenc. Així, els nostres resultats indiquen que p53 i TAp63 són responsables d’activar l’arrest dependent de recombinació en els espermatòcits de ratolí. Tot i així, els espermatòcits doble mutants encara presenten un bloqueig a l’estadi de paquitè. Per tal d’estudiar si els espermatòcits doble mutants arresten a causa de l’activació de l’arrest depenent de la correcta formació de la vesícula sexual, hem analitzat la funcionalitat del MSCI en els mutants Trip13. Per tant, el fet de saltar-se l’arrest dependent de recombinació ens ha permès elucidar el paper de TRIP13 en el silenciament meiòtic, de manera que al fallar la vesícula sexual es desencadena l’apoptosi i bloqueig dels mutants Trip13. Aquests resultats infereixen que el bloqueig depenent de recombinació i el depenent de la correcta formació de la vesícula sexual, són mecanismes que s’activen per mecanismes genèticament separats. A partir de l’observació que TRIP13 és necessari per implementar el silenciament del MSCI, he dut a terme un anàlisis exhaustiu de la transcripció en els mutants de Trip13. Els nostres resultats de marcatge de RNA amb EU i activació de la RNA polimerasa II fosforilada (S2) suggereixen que la expressió de RNA en els espermatòcits mutants per Trip13 es troba incrementada en els estadis inicials de la meiosis. Addicionalment, la seqüenciació del RNA ha permès observar que els gens dels cromosomes sexuals i gens pre-meiòtics es troben sobre expressats en els mutants de Trip13, suggerint que TRIP13 és necessari per mantenir l’expressió d’aquests gens a nivells baixos. En conjunt, els resultats presentats en aquest treball contribueixen a entendre com els mecanismes de control regulen diversos passes crucials de la progressió de la profase meiòtica en els espermatòcits de mamífer.

In order to protect germinal cells from genomic instability, surveillance mechanisms ensure that meiosis occurs properly. In mammals, spermatocytes that display recombination or sex body defects experience an arrest at pachytene stage. Previous studies from our lab described that the MRE11 complex-ATM-CHK2 pathway activates the recombination-dependent arrest in the presence of unrepaired double strand breaks (DSBs). In this work we aimed to identify if p53 family members, which are putative targets of ATM and CHK2, participate in the activation of the recombination-dependent arrest. As a genetic approach, we bred double mutant mice carrying a mutation of a member of the p53 family (p53, TAp63, p73) in a Trip13 defective background. Trip13 mutation causes recombination defects, which activate the recombination-dependent arrest in pachytene-stage spermatocytes. Thus, we studied how the absence of p53 family members affected the arrest phenotype of Trip13mod/mod spermatocytes. Our data showed that p53 and TAp63 deficiency, but not p73, allowed spermatocytes to progress further into late pachynema, despite accumulating numerous unrepaired DBSs. In addition, lack of p53 or TAp63 resulted in a decrease of apoptotic spermatocytes at early pachytene stage. Therefore, our results indicate that p53 and TAp63 are responsible to activate the recombination-dependent arrest in mouse spermatocytes. Even though, double mutant spermatocytes still arrested at pachytene stage. To study if double mutant spermatocytes were arresting due to the activation of the sex body deficient arrest we analyzed MSCI functionality in Trip13 mutants. Thus, by bypassing the recombination-dependent arrest has allowed us to elucidate a role for TRIP13 protein in meiotic silencing, which consequently triggers apoptosis in double mutants at late pachytene stage due to sex body impairment. These results infer that the recombination-dependent and the sex-body deficient arrest are activated by two genetically separated mechanisms. From the observation that TRIP13 is required to implement MSCI silencing, we performed an exhaustive analysis of transcription in Trip13 mutants. Our results suggested that RNA expression in Trip13 mutants was increased in early meiotic stage spermatocytes, assessed by EU-labeling RNA and phosphorylated(S2)-RNA polymerase II. Moreover, RNA sequencing data highlighted the observation that sex chromosome genes and pre-meiotic genes are overexpressed in Trip13 mutants, suggesting that TRIP13 is required to maintain the expression of these genes at low levels. Overall, the data presented in this work contributes to the understanding on how surveillance mechanisms control several crucial steps of meiotic prophase progression in mammalian spermatocytes.