Chromatin remodeling during mouse spermatogenesis: functional and evolutionary implications

Abstract

La línia germinal conté el passat i el futur d’una espècie, en la qual la informació genètica parental es recombina mitjançant la meiosi i és transmesa a la descendència. Així, entendre com el genoma s’organitza i es regula en l’espai nuclear durant la formació de cèl·lules germinals és essencial per comprendre les bases de la fertilitat i el seu impacte en la diversitat genètica. En cèl·lules somàtiques, el genoma s’organitza en territoris cromosòmics que estan formats per compartiments de cromatina plegats en dominis d’associació topològica (TADs) i bucles d’ADN. No obstant això, es coneix poc sobre l’organització de l’genoma en la línia germinal i com les reorganitzacions cromosòmiques poden modular-la. En aquest context, aquesta tesi té com a objectius: (i) entendre l’organització tridimensional de l’genoma durant l’espermatogènesi de ratolí i la seva relació amb la funció gènica i la localització de proteïnes aïllants (CTCF i cohesines), (ii) investigar les implicacions de les fusions Robertsonianes (Rb) en el plegament del genoma i la recombinació, i (iii) caracteritzar la variabilitat de PRDM9 en poblacions naturals de ratolins Rb, incloent el sistema Rb de Madeira i el de Barcelona (BRbS). Per això, hem combinat anàlisis citològics amb tecnologies de seqüenciació massiva i desenvolupat un protocol de citometria per obtenir poblacions cel·lulars germinals enriquides, incloent espermatogonis, espermatòcits primaris, espermàtides rodones i espermatozoides. Els nostres resultats revelen que l’estructura d’ordre superior del genoma és extremadament dinàmica durant l’espermatogènesi, on els espermatogonis presenten compartiments i TADs que desapareixen durant la meiosi i es restableixen posteriorment en cèl·lules post-meiòtiques. A més, hi ha una correlació entre la transcripció i els compartiments A, amb gens actius específics de tipus cel·lular relacionats amb la progressió de l’espermatogènesi, la fecundació i el desenvolupament embrionari. Addicionalment, hem trobat una correlació entre la localització de cohesines i transcripció activa tant en cèl·lules meiòtiques com post-meiòtiques, suggerint que les cohesines regulen la transcripció. Les fusions Rb reorganitzen la localització espacial dels cromosomes i en espermatòcits primaris, augmenten les interaccions heteròlogues, promovent nous entorns de regulació. En espermàtides rodones, les fusions afegeixen restriccions mecàniques que redueixen les interaccions inter-cromosòmiques. A més, les fusions Rb afecten tant a el nombre com a la distribució cromosòmica dels punts de recombinació, especialment en els metacéntrics fusionats en homozigosi, mentre que la presència de metacéntrics heterozigots asinapsats indueix una heterocromatinizació de la vesícula sexual. La reducció de la recombinació també es detecta en les anàlisis de desequilibri de lligament basats en SNPs, detectant alta divergència genètica en poblacions Rb comparades amb estàndard. Addicionalment, hem caracteritzat una gran variabilitat de PRDM9, sent especialment alta al sistema Rb insular de Madeira en comparació amb el sistema continental BRbS. Aquestes diferències es poden atribuir a la combinació de diferents factors: (i) la història evolutiva de cada sistema Rb, (ii) la prevalença de fusions Rb afectant la diversitat genètica, i en menor grau, (iii) restriccions funcionals meiòtiques (per exemple, asimetria en els hotspot de recombinació). En conjunt, aquesta tesi mostra que la cromatina pateix una remodelació profunda durant l’espermatogènesi específica de tipus cel·lular, en la qual l’activitat transcripcional es correlaciona amb l’estat de la cromatina i la localització de les cohesines. Addicionalment, les fusions Rb alteren l’organització del genoma en la línia germinal, afectant a la recombinació meiòtica i la diversitat genètica.

La línea germinal contiene el pasado y el futuro de una especie, en la que la información genética parental se recombina mediante la meiosis y es transmitida a la descendencia. Así, entender como el genoma se organiza y se regula en el espacio nuclear durante la formación de células germinales es esencial para comprender las bases de la fertilidad y su impacto en la diversidad genética. En células somáticas, el genoma se organiza en territorios cromosómicos que están formados por compartimentos de cromatina plegados en dominios de asociación topológica (TADs) y bucles de ADN. Sin embargo, se conoce poco acerca de la organización del genoma en la línea germinal y como las reorganizaciones cromosómicas pueden modularla. En este contexto, esta tesis tiene como objetivos: (i) entender la organización tridimensional del genoma durante la espermatogénesis de ratón y su relación con la función génica y la localización de proteínas aislantes (CTCF y cohesinas), (ii) investigar las implicaciones de las fusiones Robertsonianas (Rb) en el plegamiento del genoma y la recombinación, y (iii) caracterizar la variabilidad de PRDM9 en poblaciones naturales de ratones Rb, incluyendo el sistema Rb de Madeira y el de Barcelona (BRbS). Por ello, hemos combinado análisis citológicos con tecnologías de secuenciación masiva y desarrollado un protocolo de citometría para obtener poblaciones celulares germinales enriquecidas, incluyendo espermatogonias, espermatocitos primarios, espermátidas redondas y espermatozoides. Nuestros resultados revelan que la estructura de orden superior del genoma es extremadamente dinámica durante la espermatogénesis, donde las espermatogonias presentan compartimentos y TADs que desaparecen durante la meiosis y se reestablecen posteriormente en células post-meióticas. Además, hay una correlación entre la transcripción y los compartimentos A, con genes activos específicos de tipo celular relacionados con la progresión de la espermatogénesis, la fecundación y el desarrollo embrionario. Adicionalmente, hemos hallado una correlación entre la localización de cohesinas y transcripción activa tanto en células meióticas como post-meióticas, sugiriendo que las cohesinas regulan la transcripción. Las fusiones Rb reorganizan la localización espacial de los cromosomas y en espermatocitos primarios, aumentan las interacciones heterólogas, promoviendo nuevos entornos de regulación. En espermátidas redondas, las fusiones añaden restricciones mecánicas que reducen las interacciones inter-cromosómicas. Además, las fusiones Rb afectan tanto al número como a la distribución cromosómica de los puntos de recombinación, especialmente en los metacéntricos fusionados en homocigosis, mientras que la presencia de metacéntricos heterocigotos asinapsados induce una heterocromatinización de la vesícula sexual. La reducción de la recombinación también se detecta en los análisis de desequilibrio de ligamiento basados en SNPs, detectando alta divergencia genética en poblaciones Rb comparadas con estándar. Adicionalmente, hemos caracterizado una gran variabilidad de PRDM9, siendo especialmente alta en el sistema Rb insular de Madeira en comparación con el sistema continental BRbS. Tales diferencias se pueden atribuir a la combinación de distintos factores: (i) la historia evolutiva de cada sistema Rb, (ii) la prevalencia de fusiones Rb afectando a la diversidad genética, y en menor grado, (iii) restricciones funcionales meióticas (por ejemplo, asimetría en los hotspot de recombinación). En conjunto, esta tesis muestra que la cromatina sufre una remodelación profunda durante la espermatogénesis específica del tipo celular, en la que la actividad transcripcional se correlaciona con el estado de la cromatina y la localización de las cohesinas. Adicionalmente, las fusiones Rb alteran la organización del genoma en la línea germinal, afectando a la recombinación meiótica y a la diversidad genética.

The germline holds the past and the future of a species, as parental genetic information is recombined through meiosis and transmitted to the offspring. Thus, understanding how the genome is organized and regulated in the nuclear space during the formation of germ cells is essential to comprehend the bases of fertility and its impact on genetic diversity. In the last twenty years, many studies have shown that in somatic cells, the genome is organized in chromosome territories which are formed by chromatin compartments folded into topological associated domains (TADs) and DNA loops. However, little is known about how the genome is organized in the germline and how chromosomal reorganizations modulate genome architecture. In this context, this thesis aims to: (i) understand the three-dimensional organization of the genome during mouse spermatogenesis and its interplay with gene function and occupancy of insulator proteins (CTCF and cohesins), (ii) investigate the implications of Robertsonian (Rb) fusions in genome folding and meiotic recombination, and (iii) characterize the variability of PRDM9 in natural house mouse populations with Rb fusions: the Madeira Rb system and the Barcelona Rb system (BRbS). We combined cytological analysis with next generation sequencing technologies, and we developed an efficient cell sorting protocol to obtain enriched germ cell fractions including spermatogonia, primary spermatocytes at early and late prophase I, round spermatids and sperm. Our results revealed that the higher-order structure of the genome is extremely dynamic during spermatogenesis, where spermatogonia presents somatic-like compartments and TADs, that disappear during meiosis to be re-established later on in post-meiotic cells. Moreover, transcription correlates with A compartments throughout spermatogenesis, with cell-specific active genes involved in spermatogenesis progression, fertilization and embryonic development. In addition, we found a correlation between cohesin occupancy and active transcription in both meiotic and post-meiotic cells, suggesting a transcription-regulating role of meiotic cohesins. Although germ cells with Rb fusions presented the main features of genome architecture, Rb fusions reorganize the spatial chromosome occupancy. In primary spermatocytes, Rb fusions increase heterologous interactions, promoting the formation of novel regulatory environments. In round spermatids, Rb fusions reduce inter-chromosomal interactions as a result of mechanistic constrains. The cytological data shows that the increase in heterologous interactions is concomitant with the presence of asynapsed heterozygous metacentrics, which induce the full heterochromatinization of the sex body. Furthermore, Rb fusions affect the number and chromosomal distribution of crossovers in primary spermatocytes, especially in the case of fused metacentrics in homozygosis. The reduction in recombination was also observed in the analysis of linkage disequilibrium based on SNP genotyping, which translated into high levels of genetic divergence in Rb populations when compared to standard mice. In addition, our characterization of PRDM9 variability detected an unprecedented variability in natural house mouse populations, being especially high in the insular Madeira Rb system when compared to the continental BRbS. Such differences could be attributed to the combination of different factors: (i) the evolutionary history of each Rb system, (ii) the prevalence of Rb fusions affecting genetic diversity, and to a lesser extent (iii) meiotic functional constrains (i.e., recombination hotspot asymmetry). Taken together, this thesis shows that chromatin undergoes profound remodeling during spermatogenesis in a cell-specific way, where transcriptional activity correlates with the chromatin state and cohesin occupancy. In addition, Rb fusions alter genome organization in the germline, having an impact on meiotic recombination and genetic diversity.