Funktion von SPOC1 (PHF13) bei der meiotischen Inaktivierung von Geschlechtschromosomen (meiotic sex chromosome inactivation, MSCI)
Humangenetik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Pachytänstadium der männlichen Meiose bilden X- und Y-Chromosom eine spezielle Struktur aus, den “XY-Body“. Hierbei kommt es zur weitgehenden transkriptionellen Abschaltung beider Geschlechtschromosomen in den heterologen, nicht-gepaarten Bereichen. Dieser Prozess wird als „meiotic sex chromosome inactivation (MSCI)“ bezeichnet. Veränderungen in diesem Prozess führen zu einem Zusammenbruch der Spermatogenese. Bei PHF13 (SPOC1) handelt es sich um ein Protein, das an Chromatin assoziiert und an der Ausbildung von epigenetischen Markierungen beteiligt ist. An Phf13-knockout-Mäusen (Phf13-/-) konnten wir vor einiger Zeit zeigen, dass ein homozygoter Verlust des Gens zu einem Spermatogenesedefekt und Infertilität führt, der mit einer Fehlexpression X- und Y-chromosomaler Gene während der Meiose einhergeht, obwohl PHF13 eher in früheren Spermatogenesestadien exprimiert wird. Dem vorliegenden Antrag lag daher die Arbeitshypothese zugrunde, dass PHF13 über die Vermittlung epigenetischer Modifikationen auf die MSCI Einfluss hat und für einen korrekten Ablauf dieses Prozesses unverzichtbar ist. Ein Verlust von PHF13 in Phf13-/--Mäusen resultiert in Störungen dieses Prozesses. Ziel des Projekts war es dementsprechend, (A) diese Hypothese zu bestätigen und herauszufinden, welcher Schritt der MSCI in den Phf13-/--Mäusen gestört ist sowie (B) nachzuweisen, dass epigenetische Veränderungen hierfür verantwortlich sind. Im Verlauf der Arbeiten konnten wir verschiedene Veränderungen in der Zusammensetzung epigenetischer Modifikation am Chromatin des XY-Bodies in Phf13-/--Mäusen finden. Mittels genomweiter ChIP-seq-Analysen konnten wir zeigen, dass PHF13 in Spermatogonien von Wildtyp-Tieren präferenziell an das X- und Y-Chromosom bindet, was für einen direkten Einfluss von PHF13 auf Chromatinzusammensetzung und -verpackung (Genrepression) während der späteren Meiose spricht. Dementsprechend führt ein Verlust von PHF13 zu verändertem offenen Chromatin in der Meiose - wie im vorliegenden Projekt nachgewiesen - und dementsprechend einer Aktivierung der Gene auf den Geschlechtschromosomen resultierend in einer gestörten MSCI. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass PHF13 in den Keimzellen an junge, noch aktive mobile Elemente bindet (LINE1-Retrotransposons) und offensichtlich hemmend auf deren Expression und Transposition wirkt, wobei wir Hinweise auf eine direkte oder indirekte Interaktion mit der Methyltransferase EHMT2/G9a gefunden haben. Es ist denkbar, dass auch diese Funktion von PHF13 einen Einfluss auf die korrekte MSCI hat. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die vorliegenden Arbeiten eine ursächliche Bedeutung von PHF13 für die MSCI gezeigt haben und damit die Ausgangshypothese bestätigt werden konnte. Bezüglich des zugrundeliegenden Mechanismus, haben die gewonnen Daten z. T. zu unerwarteten Ergebnissen geführt, wie z. B. der Einfluss von PHF13 auf Retrotransposons.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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SPOC1 (PHF13) Represses Evolutionary Recent L1 LINE Elements in the Mouse Germ Line. EMBL conference “The Mobile Genome”, Heidelberg, 16. – 19. 09. 2015
Lukassen S, Schwarz J, Beier T, Nelkenbrecher C, Bosch E, Ekici AB, Winterpacht A
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PHF13 is a molecular reader and transcriptional co-regulator of H3K4me2/3. Elife. 2016 May 25;5
Chung HR, Xu C, Fuchs A, Mund A, Lange M, Staege H, Schubert T, Bian C, Dunkel I, Eberharter A, Regnard C, Klinker H, Meierhofer D, Cozzuto L, Winterpacht A, Di Croce L, Min J, Will H, Kinkley S
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SPOC1 is an Essential Upstream Regulator of Meiotic Sex Chromosome Inactivation. EMBL conference “Transcription and chromatin”, Heidelberg, 27. – 30. 08. 2016
Lukassen S, Nelkenbrecher C, Kaindl JF, Schwarz J, Bosch E, Ekici AB, Winterpacht A
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SPOC1 is involved in the suppression of L1 transposable elements in the germ line. German Society of Human Genetics, 28th Meeting of the German Society of Human Genetics, Bochum, 28. - 31.03.2017
Bosch E, Lukassen S, Kaindl J, Schwarz J, Nelkenbrecher C, Ekici A, Herrmann A, Reichel A, Gramberg T, Stamminger T, Winterpacht A
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Characterization of germ cell differentiation in the male mouse through single-cell RNA sequencing. Sci Rep. 2018 Apr 25;8(1):6521
Lukassen S, Bosch E, Ekici AB, Winterpacht A
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Chromatin-Remodeling Factor SPOC1 Acts as a Cellular Restriction Factor against Human Cytomegalovirus by Repressing the Major Immediate Early Promoter. J Virol. 2018 Jun 29;92(14)
Reichel A, Stilp AC, Scherer M, Reuter N, Lukassen S, Kasmapour B, Schreiner S, Cicin-Sain L, Winterpacht A, Stamminger T
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Single-cell RNA sequencing of adult mouse testes. Sci Data. 2018 Sep 11;5:180192
Lukassen S, Bosch E, Ekici AB, Winterpacht A
