title: More than protamines: Identification of further sperm proteins from which Prtl99C is essential for male fertility and full chromatin compaction in Drosophila melanogaster
title: Mehr als Protamine: Identifikation von weiteren Spermienproteinen von denen Prtl99C essentiell für die männliche Fertilität und Chromatinkompaktierung von Drosophila melanogaster ist
title: Mehr als Protamine: Identifikation von weiteren Spermienproteinen von denen Prtl99C essentiell für die männliche Fertilität und Chromatinkompaktierung von Drosophila melanogaster ist
Creators: name: Eren Ghiani, Zeynep
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2016
Subjects: chromatin
Life sciences
Biowissenschaften, Biologie
Histone-to-protamine switch
Taufliege
Chromatinkompaktierung
male infertility
Protamine
Drosophila melanogaster

description: Spermatogenesis is a highly
      conserved process that can be divided into three stages:
      pre-meiosis, meiosis and post-meiosis. At the end of the
      post-meiotic stage of spermatogenesis, a protamine rich
      spermatozoon is formed from a histone rich spermatid with
      round nucleus. During this stage, the chromatin is highly
      packed and the volume of the nucleus is remarkably reduced.
      Therefore, it is expectable that the poor packed chromatin
      within the sperm nuclei cannot protect the DNA properly
      against chemical and physical damage, potentially leading to
      mutations and infertility problems. In Drosophila, during the
      replacement process of histones by protamines several high
      mobility group-box (HMG-box) containing proteins are
      expressed. Our group previously identified Drosophila
      protamines being not essential for fertility in contrast to
      those of mice which cause sterility already in
      haplo-insufficiency. In both organisms, the compaction of the
      genome is very efficient despite of the mutated protamine
      genes. On the basis of these findings, we hypothesized that
      other proteins may act in functional redundancy or in an
      additive manner with protamines. For this reason, we searched
      for additional HMG-box-containing proteins which might play a
      role during chromatin condensation. We identified Prtl99C
      specifically expressed in male germ cells. We demonstrated
      with transgenic flies and with an antibody against Prtl99C
      that the protein persists until the mature sperm. Analysis of
      homozygous Prtl99C-ΔC sperm showed longer nuclei, indicating
      that the C-terminal region is required for chromatin
      compaction moreover affects male fertility. Knockdown of
      Prtl99C via RNA interference (RNAi) led also to elongation of
      the sperm nucleus region by about 35% yet the fertility was
      highly reduced. Whereas loss of protamines led to an 8%
      longer nucleus, deletion of both protamines and Prtl99C, led
      to an elongation of the sperm nucleus by 47%. Based on these
      findings, we proposed that many chromatin-binding proteins
      have a function in chromatin reorganization during
      spermatogenesis in favor of building a compacted male genome.
      The actual work presents for the first time a Drosophila
      sperm chromatin component that is essential for male
      fertility. The insights obtained from this study can help to
      understand in particular the condensation of the sperm genome
      carried out by several basic proteins. Lastly, we analyzed a
      comparative proteome approach to find more basic protein and
      identified a homolog to mammalian THEG as likely being
      essential for male fertility Drosophila.
description: Bei der Spermatogenese handelt es
      sich um den konservierten Prozess der männlichen
      Keimzellentwicklung, welcher im Wesentlichen aus drei Stadien
      besteht: prae-meiotische, meiotische und post-meiotische
      Stadien.,Nach der Meiose entwickelt sich aus einer
      Histon-reichen runden haploiden Spermatidenkern der
      Protamin-haltige Kern des nadelförmiger Spermium-.In dieser
      Phase wird das Chromatin neu organisiert und das Volumen des
      Nukleus dramatisch reduziert. Die Kompaktierung der DNA durch
      spezielle Chromatinkomponenten dient dem Schutz des
      väterlichen Erbguts gegen chemische und physikalische
      Schäden, um Mutationen und Fertilitätsdefekte zu verhindern.
      In Drosophila, wird der Austausch von Histonen zu Protaminen
      von der Expression weiterer HMG (high mobility group)-Box
      haltiger Proteine begleitet. Im Gegensatz zu Maus, führt ein
      Verlust der Protamine in Drosophila nicht zu Sterilität.
      Trotz Mutationen in den Protamin-Genen, findet jedoch in
      beiden Organismen eine effiziente Kompaktierung des
      väterlichen Genoms statt. Aufgrund dieser Kenntnisse wurde
      angenommen, dass neben den Protaminen noch weitere
      HMG-box-haltige Proteine an der Chromatin Kondensation
      beteiligt sein müssen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das
      Protein Prtl99C identifiziert und charakterisiert, welches
      eine HMG-Box Domäne besitzt und spezifisch im späten
      Spermatiden exprimiert wird. Mittels einem GFP-gekoppelten
      Fusionsprotein, sowie einem Prtl99C-spezifischen Antikörper
      konnte das Protein in den reifen Spermienkernen detektiert
      werden. Analysen homozygoter Prtl99C-ΔC Mutanten zeigen
      verlängerte Spermienkerne und reduzierte Fertilität, demnach
      scheint der C-terminale Bereich von Prtl99C notwendig für die
      Chromatin_Kompaktierung zu sein. RNAi vermittelter Knock-down
      von Prtl99C führt ebenfalls zu einer Verlängerung der
      Spermienkerne bis zu 35% und einer reduzierten Fertilität.
      Während der Verlust der Protamine nur zu um 8% längeren
      Kernen führt, elongieren die Kerne bei Verlust von Protaminen
      und Prtl99C um bis zu 47%. Aufgrund dieser Ergebnisse wird
      postuliert, das während der Spermatogenese viele
      Chromatin-assoziierende Proteine eine Funktion in der
      Chromatin-Reorganisation ausüben, um ein kompaktes männliches
      Genom zu bilden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde zum ersten Mal
      eine Chromatinkomponente des reifen Drosophila Spermiums
      beschrieben, welche essentiell für die männliche Fertilität
      ist. Die hier erzielten Erkenntnisse helfen, den Prozess der
      Kondensation des Spermiengenoms durch verschiedene in
      additiver Weise wirkende basische Proteine besser zu
      verstehen. Zusätzlich wurde durch Analysen vorhandener Testis
      Proteom Daten ein weiteres basisches Protein identifiziert,
      welches ein Homolog zu dem Mammalia THEG Protein darstellt
      und ebenso essentiell für die Fertilität von Drosophila sein
      könnte.