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Epigenetic control of centromeric Cid/CENP-A levels during spermatogenesis and development


Taneja Raychaudhuri, Nitika. Epigenetic control of centromeric Cid/CENP-A levels during spermatogenesis and development. 2013, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Zentromere sind von größter Wichtigkeit für die richtige Weitergabe der genetischen Information während mitotischer und meiotischer Zellteilungen. Die Identität der Zentromere in Metazoen wird durch epigenetische Mechanismen bestimmt. In Menschen zum Beispiel wurde gezeigt, dass die hochrepetitiven zentromeren DNS-Sequenzen weder genügen noch überhaupt benötigt werden, um das Zentromer zu spezifizieren.
Um die Funktion von Proteinen bei der epigenetischen Markierung und Vererbung der Zentromere zu untersuchen, wäre ein effizientes UAS/GAL4- System sehr nützlich, welches für Analysen in der männlichen Keimbahn in Drosophila nach Gen-Überexpression, Gen-Knockdown oder induzierter Proteindegradation geeignet wäre. Daher wurden neuartige Treiberlinien hergestellt, welche GAL4 -Fusionen mittestis-spezifischen Transkriptionsfaktoren exprimieren, in der Hoffnung, dass eine Synergie zwischen den Aktivierungsdomänen von GAL4 und den testis-spezifischen Transkriptionsfaktoren zu einer erhöhten Expression von UASt-Transgenen führen würde. Tatsächlich konnte hierdurch die Effizienz der UASt-Transgene in Spematozyten verbessert werden. Eine der neuen GAL4-Treiberlinien erwies sich bei Experimenten, welche die Funktion von Zentromerproteinen betrafen, als sehr nützlich.
Der Hauptteil dieser Arbeit beschreibt Experimente, welche die Weitergabe des Zentromerproteins Cid und der Zentromeridentität während der männlichen Meiose untersuchen. Meine Ergebnisse zeigten, dass sich die Kontrolle der Beladung der Zentromere mit Cid während der männlichen Meiose von der Regulation während der mitotischen Zyklen der frühen Embryogenese unterscheidet. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass ein starker Mangel an Cid in Spermien zu einem Versagen der paternalen Zentromerfunktion nach der Befruchtung führt. Paternale Chromosomen, denen Cid am Zentromer fehlte, konnten nicht in die gonomere Spindel der ersten Mitose integriert werden, was zu gynogenetisch haploiden Embryonen führte. Weiterhin wurde nach moderater Depletion von Cid in Spermien beobachtet, dass die paternalen Zentromere in der nächsten Generation nicht die normale Cid-Menge zurückerlangen konnten. Daraus folgere ich, dass Cid in Spermien ein essentieller Bestandteil der epigenetischen Markierung der Zentromere ist. Weiterhin übt das in Spermien vorhandene Cid eine quantitative Kontrolle über die Cid-Menge am Zentromer der paternalen Chromosomen während der Entwicklung der nächsten Generation aus.

Summary
Centromeres are of paramount importance for faithful propagation of genetic information during mitotic and meiotic divisions. Centromere identity in metazoans is believed to be specified by epigenetic mechanisms. In humans for example, the highly repetitive centromeric DNA has been shown to be neither sufficient nor required for centromere specification.
In order to study the role of proteins for epigenetic marking and propagation of centromeres, an efficient UAS/GAL4 system for analyses in the male germline of Drosophila after gene overexpression, knockdown or induced protein degradation would be very helpful. Therefore, novel driver lines expressing GAL4 fused to testis-specific transcription factors were generated in the hope that a synergism between the activation domains of GAL4 and testis-specific transcription factors might result in enhanced UASt transgene expression. Thereby the efficiency of expression of UASt transgenes in spermatocytes could indeed be improved. One of the novel GAL4 driver lines was very useful for experiments concerning centromere protein function.
The main part of this thesis describes experiments addressing propagation of the centromere protein Cid and of centromere identity during male meiosis. My results revealed that the control of Cid loading onto centromeres during male meiosis is distinct from the regulation observed during the mitotic cycles of early embryogenesis. Moreover, strong Cid depletion in sperm was shown to result in a failure of paternal centromere function after fertilization. Paternal chromosomes lacking centromeric Cid failed to integrate into the gonomeric spindle of the first mitosis, resulting in gynogenetic haploid embryos.
Furthermore, after moderate Cid depletion in sperm, paternal centromeres were found to be unable to re-acquire normal Cid levels in the next generation. Therefore, I conclude that Cid in sperm is an essential component of the epigenetic centromere mark on paternal chromosomes. Moreover, Cid present in sperm centromeres exerts quantitative control over centromeric Cid levels on paternal chromosome throughout development of the next generation.

Abstract

Zentromere sind von größter Wichtigkeit für die richtige Weitergabe der genetischen Information während mitotischer und meiotischer Zellteilungen. Die Identität der Zentromere in Metazoen wird durch epigenetische Mechanismen bestimmt. In Menschen zum Beispiel wurde gezeigt, dass die hochrepetitiven zentromeren DNS-Sequenzen weder genügen noch überhaupt benötigt werden, um das Zentromer zu spezifizieren.
Um die Funktion von Proteinen bei der epigenetischen Markierung und Vererbung der Zentromere zu untersuchen, wäre ein effizientes UAS/GAL4- System sehr nützlich, welches für Analysen in der männlichen Keimbahn in Drosophila nach Gen-Überexpression, Gen-Knockdown oder induzierter Proteindegradation geeignet wäre. Daher wurden neuartige Treiberlinien hergestellt, welche GAL4 -Fusionen mittestis-spezifischen Transkriptionsfaktoren exprimieren, in der Hoffnung, dass eine Synergie zwischen den Aktivierungsdomänen von GAL4 und den testis-spezifischen Transkriptionsfaktoren zu einer erhöhten Expression von UASt-Transgenen führen würde. Tatsächlich konnte hierdurch die Effizienz der UASt-Transgene in Spematozyten verbessert werden. Eine der neuen GAL4-Treiberlinien erwies sich bei Experimenten, welche die Funktion von Zentromerproteinen betrafen, als sehr nützlich.
Der Hauptteil dieser Arbeit beschreibt Experimente, welche die Weitergabe des Zentromerproteins Cid und der Zentromeridentität während der männlichen Meiose untersuchen. Meine Ergebnisse zeigten, dass sich die Kontrolle der Beladung der Zentromere mit Cid während der männlichen Meiose von der Regulation während der mitotischen Zyklen der frühen Embryogenese unterscheidet. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass ein starker Mangel an Cid in Spermien zu einem Versagen der paternalen Zentromerfunktion nach der Befruchtung führt. Paternale Chromosomen, denen Cid am Zentromer fehlte, konnten nicht in die gonomere Spindel der ersten Mitose integriert werden, was zu gynogenetisch haploiden Embryonen führte. Weiterhin wurde nach moderater Depletion von Cid in Spermien beobachtet, dass die paternalen Zentromere in der nächsten Generation nicht die normale Cid-Menge zurückerlangen konnten. Daraus folgere ich, dass Cid in Spermien ein essentieller Bestandteil der epigenetischen Markierung der Zentromere ist. Weiterhin übt das in Spermien vorhandene Cid eine quantitative Kontrolle über die Cid-Menge am Zentromer der paternalen Chromosomen während der Entwicklung der nächsten Generation aus.

Summary
Centromeres are of paramount importance for faithful propagation of genetic information during mitotic and meiotic divisions. Centromere identity in metazoans is believed to be specified by epigenetic mechanisms. In humans for example, the highly repetitive centromeric DNA has been shown to be neither sufficient nor required for centromere specification.
In order to study the role of proteins for epigenetic marking and propagation of centromeres, an efficient UAS/GAL4 system for analyses in the male germline of Drosophila after gene overexpression, knockdown or induced protein degradation would be very helpful. Therefore, novel driver lines expressing GAL4 fused to testis-specific transcription factors were generated in the hope that a synergism between the activation domains of GAL4 and testis-specific transcription factors might result in enhanced UASt transgene expression. Thereby the efficiency of expression of UASt transgenes in spermatocytes could indeed be improved. One of the novel GAL4 driver lines was very useful for experiments concerning centromere protein function.
The main part of this thesis describes experiments addressing propagation of the centromere protein Cid and of centromere identity during male meiosis. My results revealed that the control of Cid loading onto centromeres during male meiosis is distinct from the regulation observed during the mitotic cycles of early embryogenesis. Moreover, strong Cid depletion in sperm was shown to result in a failure of paternal centromere function after fertilization. Paternal chromosomes lacking centromeric Cid failed to integrate into the gonomeric spindle of the first mitosis, resulting in gynogenetic haploid embryos.
Furthermore, after moderate Cid depletion in sperm, paternal centromeres were found to be unable to re-acquire normal Cid levels in the next generation. Therefore, I conclude that Cid in sperm is an essential component of the epigenetic centromere mark on paternal chromosomes. Moreover, Cid present in sperm centromeres exerts quantitative control over centromeric Cid levels on paternal chromosome throughout development of the next generation.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Lehner Christian F, Reuter Gunter
Communities & Collections:07 Faculty of Science > Institute of Molecular Life Sciences
UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:570 Life sciences; biology
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2013
Deposited On:28 Oct 2013 12:20
Last Modified:07 Apr 2020 06:39
Number of Pages:155
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/permalink/f/5u2s2l/ebi01_prod009769978 (Library Catalogue)

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