The Ins and outs of the chromatoid body

Abstract

Spermatogenesis is a complex differentiation process that produces millions of genetically unique sperm cells every day. During spermatogenesis the developing germ cells undergo metamorphic changes as they transform from primitive spermatogonial stem cells to large meiotic spermatocytes, divide into smaller round spermatids and finally become streamlined, compact sperm. Each cell type has a unique transcriptional profile. Early cells of spermatogenesis, especially meiotic spermatocytes express massive amounts of transcripts while transcription is completely halted later due to the nuclear condensation of spermatids. To cope with these transcriptomic challenges, large cytoplasmic ribonucleoprotein granules called germ granules appear and provide dynamic platforms for the transcripts and their regulators to come together.

Here, two proteins of the largest germ granule, the Chromatoid Body (CB), were selected for investigation: the autophagosome transporting FYCO1 and the RNA degrading endonuclease SMG6. Two mouse lines were created to reveal the roles of these germ granule components in spermatogenesis. The results show that FYCO1 is needed for the integrity of germ granules. CB morphology was disrupted in the absence of FYCO1, a phenotype that worsened under stress conditions. Nonetheless FYCO1 depleted mice were fertile. Conversely, the deletion of the second component, endonuclease SMG6, lead to infertility. The results showed that SMG6 is required for the transcriptional balance of developing germ cells which it regulates together with the piRNA pathway. Both studies highlight the importance of germ granules in spermatogenesis.

Overall, this thesis comprises three studies. First, a simple BSA-gradient method to isolate round spermatids and spermatocytes from mice using standard laboratory equipment was developed to facilitate the two main studies of this thesis work. In the first of these studies FYCO1 was identified as a link between autophagy and the CB while the second revealed the role of the endonuclease SMG6 in spermatogenesis and male germ cells transcriptional integrity. Together these two studies contribute to revealing the functions of the enigmatic germ granules and the pivotal roles they play for the maintenance of male fertility.

<b>Kromatoidikappale: Sukellus pintaa syvemmälle</b>

Tahaton lapsettomuus on maailmanlaajuisessa kasvussa ja erityisesti miesten hedelmällisyyden häiriöistä tiedetään edelleen vähän. Spermatogeneesi on ainutlaatuinen, monimutkainen ja tarkoin säädelty kehitysprosessi. Ensin kantasolut jakautuvat mitoottisesti kasvattaakseen määräänsä. Meioosissa ne sekoittavat geneettisen materiaalinsa luoden uusia yhdistelmiä, mahdollistaen evoluution. Lopulta ne käyvät läpi morfologisen muodonmuutoksen pyöreästä solusta siittiölle tyypilliseen virtaviivaiseen ulkomuotoonsa. Sukusolut ilmentävät genomiaan aktiivisesti ja niiden RNA profiili onkin poikkeuksellisen monimuotoinen verrattuna muihin erilaistuneisiin soluihin. RNA‐säätely on erittäin tärkeässä asemassa, ja onnistuneeseen kehitykseen tarvitaan laaja kirjo erilaisia mekanismeja. Tärkeässä osassa ovat niin sanotut sukusolujyvät, joihin RNA molekyylit ja RNA:ta sitovat proteiinit kerääntyvät.

Olen väitöskirjatyössäni keskittynyt hedelmällisyyden kannalta tärkeän sukusolujyvän, kromatoidikappaleen (Chromatoid body, CB), toimintaan ja luonut kaksi poistogeenistä hiirimallia niin, että yksi CB komponentti, joko FYCO1 tai SMG6, on poistettu uroshiiriltä. Yllättäen puutteita siittiönmuodostuksesta ei löytynyt FYCO1-poistogeenisiltä uroksilta, vaikka CB:n ulkomuoto ja toiminta olikin häiriintynyt. Yhteys CB:n ja autofagian, joka on solujen oma kierrätys ja laadunvalvonta mekanismi, välillä kuitenkin paljastui. Tutkimus osoitti myös, että FYCO1 proteiinilla on tärkeä rooli sukusolujyvästen rakenteen ylläpidossa. Toisessa työssä keskityttiin tutkimaan RNA:ta hajottavan SMG6 proteiinin roolia sukusoluissa. Smg6-poistogeenisten uroshiirien siittiönmuodostus oli vakavasti häiriintynyt ja urokset olivat hedelmättömiä. Erityisesti kehittyvien siittiöiden normaalin RNA profiilin ylläpidossa oli ongelmia Smg6-poistogeenisilla uroshiirillä, mikä kertoo SMG6 proteiinin mahdollisista tehtävistä sukusoluissa. Näiden töiden lisäksi väitöskirjaani sisältyy kolmas työ, jossa kehitettiin uusi menetelmä, jolla eri sukusolujen eristäminen kiveksestä on mahdollista myös hyvin pienellä alkumateriaalilla, jolla toivomme voivamme vaikuttaa koe-eläinten käyttömäärän vähentämiseen. Tämä menetelmä myös mahdollistaa solueritellyn sukusolututkimuksen laajemmalle tutkijayhteisölle. Kokonaisuutena väitöskirjani valaisee sukusolujyvästen tärkeää tehtävää siittiönmuodostuksessa, sekä paljastaa molekyylitason mekanismeja tässä elintärkeässä prosessissa.