Meiotic chromosome pairing in C. elegans

Meiose ist jene spezialisierte Zellteilung mittels welcher diploide Organismen haploide Gameten produzieren. Die Halbierung der Chromsomenanzahl wird erreicht indem zwei aufeinander folgende Kernteilungen (Meiose I und II) an eine Replikationsrunde anschließen. Während der ersten meiotischen Teilung, der reduktionellen Teilung, werden die homologen Chromosomen getrennt. Während der zweiten meiotischen Teilung werden die Schwesterchromatiden getrennt. Defekte in der Chromsomensegregation führen zu Aneuploidien, die eine mögliche Ursache von Unfruchtbarkeit und Geburtsfehlern darstellen. Im Menschen korreliert die Häufigkeit des Auftretens von Trisomien positiv mit Alter der Mutter. Wie jedoch zunehmendes Alter das Ansteigen von Trisomien beeinflusst, ist nicht vollständig geklärt. Geschwächte Kohesion und das Versagen von Checkpoint Kontrollen könnten dazu beitragen. Um homologe Chromosomen während der ersten meiotischen Teilung verlässlich zu trennen, müssen verschiedene Ereignissen der Prophase miteinander koordiniert werden: Chromosomen müssen ihre homologen Partner finden. Der Synaptonemale Komplex (SC) muss aufgebaut werden. Der Synaptonemale Komplex stabilisiert die Interaktion zwischen Paaren von homologen Chromosomen und ermöglicht die meiotische Rekombination, welche zu einer physischen Verbindung der Homologen führt Der Prozess der Homologenerkennung ist noch weitgehend ungeklärt. Generell wird zwischen DNA-Bruch abhängigen und DNA-Bruch unabhängigen Mechanismen, die zur Homologenpaarung führen, unterschieden. Vorangegangene Studien in C. elegans zeigten, dass Paarung und Synapsis in Abwesenheit von Rekombination stattfinden können. Die Trennung dieser beiden Prozesse macht C. elegans zu einem idealen Modellsystem, um meiotische Paarung zu studieren. Im Rahmen meiner Dissertation habe ich folgende Chromsomenpaarungs-mutanten in C. elegans studiert: prom-1, matefin/sun-1 und him-19. Die Studien zu prom-1 (progression of meiosis) untermauern die Bedeutung des zeitgerechten Beginns der Meiose und zeigen, welche Auswirkungen Störungen in diesem Prozess auf nachfolgende meiotische Ereignisse haben können. Prom-1 Mutanten zeigen einen komplexen meiotischen Phänotyp mit Defekten in der Homologenpaarung, Synapsis und Doppelstrangbruchreparatur (diese Arbeit wurde in einer Kollaboration mit Dr. Verena Jantsch durchgeführt). Matefin/SUN-1 (S. pombe Sad1/C. elegans UNC-84 domain protein) ist ein Protein der inneren nukleären Membran. Das Allel matefin/sun-1(jf18) trägt eine Mutation in der konservierten SUN–Domäne, welche zu einem Paarungsdefekt führt. In diesem genetischen Hintergrund kann das „Clustering der Chromosomen“ im Leptotän/Zygotänstadium nicht beobachtet werden. Die Verbindung vom Kerninneren und den Chromosomen zum Zytoskelett ist in dieser Mutante gestört. Dies führt dazu, dass sich die Chromsomen nicht bewegen und nicht mehr in der Lage sind, die Homolgiesuche durchzuführen. (Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Dr. Alexandra Penkner durchgeführt). him-19(jf6) (high incidence of males) ist die dritte paarungsdefiziente Mutante, welche ich studiert habe. Him-19 isolierte ich im Zuge meines genetischen Screens. Es codiert für ein Protein mit einer von mir erstmals beschriebenen Rolle in der Meiose. Die Untersuchung der Funktion von HIM-19 war der Fokus meiner Dissertationsarbeit. Diese Mutation betrifft weibliche Tiere stärker als männliche und der Phänotyp ist in älteren Tieren stärker ausgeprägt. Mutante C. elegans sind defekt in der Homologenerkennung, SC-Polymerisation und höchstwahrscheinlich in der Doppelstrangbruchinduktion. Unsere Arbeit über him-19 bestätigt und vertieft die kürzliche Erkenntnis, dass es in C. elegans einen DNA-Doppelstrangbruch-abhängigen SC-Polyimerisationsmechanismus gibt. Unsere Studien über him-19 zeigen weiters, dass dieser doppelstrangbruchabhängige SC-Polymerisationsmechanismus nicht zur Homolgenpaarung beitragen kann. Die letzte Veröffentlichung im Rahmen dieser Dissertationsarbeit befasst sich mit Studien zur meiotischen Rekombination. Das C. elegans Protein COM-1 ist ein Homologes zum menschlichen Reparaturprotein CtIP und zu S. cerevisiae Com1/Sae2. com-1 Mutanten weisen normale Chromsomenpaarung und Synapsis auf. Unsere Studien zeigen, dass com-1 eine Rolle in der Generierung von Einzelstrang-DNA-Überhängen, welche das Stranginvasionsprotein RAD-51 laden und in homologe DNA-Doppelstränge eindringen, spielt. Dies ist eine Voraussetzung für erfolgreiche DNA Reparatur. (Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit mit Dr. Alexandra Penkner und Zsuzsanna Portik-Dobos durchgeführt).Meiosis is a specialized cell division which diploid organisms use to generate haploid gametes. The halving of the chromosome number is achieved by one round of DNA replication and two consecutive rounds of divisions (meiosis I and meiosis II respectively). In meiosis I, the reductional division, the homologous chromosomes are segregated; in meiosis II, the equational division, the sister chromatids are segregated. Any defects in chromosome segregation would result in aneuploidy, a culprit of reproductive failure and congenital birth defects. In humans, there are strong correlations between maternal age and occurrence of trisomies. However how maternal age increases aneuploidy is not fully elucidated although weakened cohesion and failure in check-point control have been suggested to contribute to aging effects. To ensure the fidelity of chromosome segregation in meiosis I, a series of event have to be achieved and coordinated accurately during the prophase I – the homologous chromosomes have to find their correct partners, assemble the synaptonemal complex (SC) proteins forming synapsis to stabilize the homologs, and achieve meiotic recombination to make a physical link between the homologs. The process of how homologous chromosomes recognize each other is still poorly understood. Mechanisms to bring homologous chromosomes together are generally divided into two categories: the DNA double strand break (DSB) dependent ones or the DSB independent ones. Previous studies in C. elegans have demonstrated that pairing and synapsis can occur normally in the absence of DSBs. The independency between these processes makes C. elegans an ideal model to study meiotic pairing. During the course of this thesis, I have studied and identified C. elegans mutants (prom-1, mtf-1/sun-1, and him-19) with defects in homologous pairing. The prom-1 (progression of meiosis) mutant demonstrated the importance of timely meiotic entry to the successive meiotic events. When PROM-1 is depleted, the mutants display a complex meiotic phenotype with homologous pairing, synapsis and DSBs repair all being disrupted (work done in collaboration with Dr Verena Jantsch). The MTF-1/SUN-1 is a inner nuclear envelope protein. Our mtf-1/sun-1(jf18) allele bears a specific mutation in the SUN domain that displays a global pairing defect. In the mtf-1/sun-1(jf18) background, the chromosome clustering at lepotene/zygotene stage is not observed. The nucleoplasmic/cytoplasmatic link to the cytoplasmatic cytoskeleton is disrupted in this mutant leading to absence of chromosome movement and a failure of homology search. (work done in collaboration with Dr Alexandra Penkner). The him-19(jf6) is the third pairing defective mutant studied. him-19 is a novel gene isolated from my forward genetic screen and has become the focus of my work. The female mutants are more affected by this mutation than the male worms; and the mutant phenotype is more severe in older worms. The mutant is impaired in homolog recognition and timely SC formation, and most likely DSB induction. Our work on him-19 extends the recent discovery of a DSB dependent SC polymerization mechanism in C. elegans. The studies on him-19 showed that this newly described DSB dependent SC polymerization mechanism cannot contribute to homolog juxtaposition. The final paper in this thesis is concerned with studies of meiotic recombination. COM-1 in C. elegans is homologous to the mammalian repair-related protein CtIP and to the S. cerevisiae Com1/Sae2 recombination protein. The com-1 mutants show normal homologous chromosome pairing and synapsis. Studies with the com-1 mutants revealed that COM-1 plays a role in the generation of ssDNA tails that can load the strandexchange protein RAD-51, invade homologous DNA tracts and thereby initiate recombination (work done in collaboration with Dr Alexandra Penkner and Zsuzsanna Portik-Dobos)