Genome-wide analysis on content and function of residual nucleosomes in sperm : studies in bovine and human

Abstract

It is suggested that at fertilization, spermatozoa transfer both genetic and epigenetic information into the oocyte, e.g. the DNA methylation pattern and various histone modifications. However, the relevance of the sperm epigenome for fertilization and embryogenesis is, so far, for the most part unknown. During spermiogenesis, replacement of DNA-binding histones by protamines is followed by a condensation of the nuclear chromatin resulting in a 10-fold-less volume of the original paternal genome. Interestingly, depending on species, 1% to 15% of nucleosomes remain within the sperm. This thesis aims to analyze whether nucleosome retention in sperm from various species displays general regularities. For this purpose, we analyzed two mammalian species, man and bovine. In addition, we intend to understand the biological impact of nucleosome retention in sperm by applying a genome-wide analysis. In contrast to data available from the literature, we observed only 4.8% nucleosomes in man and 14% nucleosomes in bovine. For the first time, we demonstrated that sperm nucleosomes were prominently associated with repetitive DNA elements, with a significant enrichment in heterochromatic centromere repeats and in retrotransposons, within intergenic and intron sequences. In contrast, nucleosome depletion could be observed predominantly in exon sequences, 5 -and 3 -UTRs and gene promoters, and was associated to simple sequence repeats, low complexity repeats and DNA transposons. Furthermore, nucleosome-retaining genes (preferably in gene bodies) were associated with biological functions, such as RNA- and protein-processing, calcium-ion transport, cell-cell adhesion, membrane and cytoskeletal organization. HOX-genes and genes important for morphogenesis and organ development exhibited nucleosome depletion.Our data revealed a comparable distribution pattern of sperm nucleosomes in both analyzed species and support the hypothesis that sperm nucleosomes might play a role for gene expression in the developing embryo. Es wird vermutet, dass bei der Befruchtung die Spermatozoen nicht nur genetische, sondern auch epigenetische Information auf die Eizelle übertragen, wie zum Beispiel das Methylierungsmuster der DNA oder verschiedene Histonmodifizierungen. Die Bedeutung des Spermien-Epigenoms für die Befruchtung und Embryonalentwicklung ist bislang jedoch noch weitgehend ungeklärt.Während der Spermiogenese kommt es durch den Austausch von Histonen gegen Protamine zu einer Kondensation des Kernchromatins auf etwa ein Zehntel des ursprünglichen Volumens. Interessanter Weise verläuft dieser Austausch unvollständig, so dass speziesabhängig 1-15% an Nukleosomen im Spermium verbleiben.Im Rahmen der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, inwieweit der Verbleib von Nukleosomen in Spermien verschiedener Spezies allgemeinen Regeln gehorcht. Zu diesem Zweck wurden die beiden Säugetierspezies Rind und Mensch analysiert. Weiterhin sollte anhand einer genomweiten Analyse die funktionelle Bedeutung der im Spermium verbleibenden Nukleosome aufgeklärt werden. Im Gegensatz zu Daten aus der Literatur, konnte beim Menschen nur ein Nukleosomgehalt von 4,8% festgestellt werden (Bulle: 14%). Erstmals konnte zudem nachgewiesen werden, dass Nukleosome in Spermien vornehmlich in repetitiven DNA-Elementen (Zentromer-spezifische Repeats und Retrotransposons) vorzugsweise innerhalb intergenischer und Intron-Sequenzen angereichert sind. Demgegenüber wurde eine signifikante Nukleosom-Abreicherung in kodierenden und funktionellen Bereichen des Spermien-Genoms (5´- und 3´-UTRs, Genpromotoren) festgestellt. Die Nukleosom-Abreicherung konnte zu einfachen Repeats und Repeats mit niedriger Komplexität, sowie DNA-Transposons assoziiert werden. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass für RNA- und Protein-Prozessierung, Kalziumionen-Transport, Zell-Zell-Adhäsion sowie Membran- und Zytoskelettorganisation relevante Gene häufig in ihrer Sequenz Nukleosome aufweisen. Dagegen besaßen HOX-Gene und Gene, die relevant für Morphogenese und Organentwicklung sind, kaum Nukleosome in ihrer Sequenz. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen ein vergleichbares Verteilungsmuster von Nukleosomen in den beiden untersuchten Spezies Mensch und Rind und unterstützen die Hypothese, dass Spermien-Nukleosome eine Rolle bei der Genexpression in dem sich entwickelnden Embryo spielen könnten.