Kontrolní mechanismy segregace chromozomů během časného vývoje

Mgr. Lenka Radoňová, Ph.D.

Doctoral thesis

Control mechanisms of chromosome segregation during early development

Abstract:

Je známo, že v porovnání se somatickými buňkami, je dělení chromozomů během savčí meiózy značně náchylné k chybám. Nerovnoměrné dělení chromozomů vede ke vzniku numerických chromozomálních aberací, neboli aneuploidii. Numerické chromozomální aberace, vyskytující se v zárodečných buňkách a blastomerách časných embryí, mají ve většině případů za následek předčasné ukončení vývoje, nebo narození potomka s těžkými mentálními a vývojovými poruchami. Přesnost dělení chromozomů je kontrolováno monitorovacím mechanismem, zvaným kontrolní bod sestavení dělícího vřeténka (SAC, z anglického Spindle Assembly Checkpoint). Existuje několik hypotéz proč tento kontrolní mechanismus v savčích oocytech a časných embryích selhává. Jsou jimi například unikátní délka života nebo unikátní velikost těchto buněk. Nicméně přesné molekulární mechanismy, které vedou k častému výskytu chyb během dělení chromozomů v oocytech a časných embryích, nejsou zatím plně objasněny. Předkládaná doktorská práce se vztahuje kregulaci samičí savčí meiózy a regulaci dělení časných embryí. Doktorská práce se soustředí zejména na regulaci přechodu z metafáze do anafáze, která je vzhledem k dělení chromozomů zásadní částí buněčného cyklu. Představeny jsou tři publikace vztahující se k regulaci samičí savčí meiózy a jedna publikace zabývající se mírou výskytu aneuploidií v časných embryích myši získaných in vivo. V první části jsme se zabývali studiem interakce SAC a komplexu umožňujícího anafázi (APC/C, z anglického Anaphase Promoting Complex/Cyclosome) v savčích oocytech a časných embryích. Tyto dvě molekulární dráhy jsou důležitými mechanismy regulujícími dělení chromozomů. Dále jsme charakterizovali účinek inhibitoru proTAME na savčí oocyty. Naše výsledky ukázaly, že rozdílně od somatických buněk, v oocytech, stejně jako časných embryích, inhibice APC/C vyvolaná inhibitorem proTAME nevyžaduje aktivní SAC. Výsledky naší studie poukazují na důležité odlišnosti v regulaci APC/C v oocytech, časných embryích a v somatických buňkách. V druhé studii jsme se zaměřili na roli cyklinu A1 v oocytech a časných embryích. Cyklin A1 je nepostradatelný protein pro samčí meiózu; ovšem není zcela jasné, zda je tento protein exprimován i v samičí meióze. Výsledky naší studie ukázaly, že cyklin A1 je v oocytech nežádoucí a jeho exprese má vážné následky vedoucí k zastavení prvního meiotického dělení. Avšak toto nebylo pozorováno v časných embryích, u kterých průchod buněčným dělením nebyl nijak ovlivněn. Tyto výsledky poukazují na odlišnou schopnost APC/C cílit na své substráty v oocytech a časných embryích. Ve třetí prezentované studii jsme hodnotili míru aneuploidie během časného vývoje u myší. Naše výsledky ukázaly, že aneuploidie v embryích významně vzrostla mezi 8-buněčným a 16-buněčným embryonálním stádiem. Dále naše výsledky odhalily, že embrya nesoucí aneuploidii vzniklou vzárodečných buňkách nebo prvních dvou mitotických děleních jsou eliminována na úrovni 2-buněčného stádia.

Abstract:

It is known that chromosome segregation in mammalian meiosis is highly prone to errors in comparison to somatic cells. Unequal segregation of chromosomes leads to numerical chromosomal aberrations, also known as aneuploidy. Aberrant number of chromosomes, occurring in germ cells or early cleavage blastomeres, results, in most of the cases, in termination of further development or severe mental or developmental disorders in newborns. Fidelity of chromosome segregation is under the control of a surveillance mechanism called Spindle Assembly Checkpoint (SAC). There are several hypotheses suggesting that the unique lifetime of an oocyte and also its unique size contribute to insufficient function of the checkpoint. However, the exact molecular mechanisms behind the high incidence of chromosome segregation errors in mammalian oocytes and early embryos are still not completely elucidated. The presented doctoral thesis is related to regulation of mammalian female meiosis and early cleavage cycles of embryos. The thesis mostly focuses on regulation of metaphase to anaphase transition, which is, in regard to chromosome segregation, a crucial part of the cell cycle. Three articles related to regulation of mammalian female meiosis and one article investigating levels of aneuploidy in early in vivo mouse embryos are discussed. In the first part we investigated the relationship of SAC and Anaphase Promoting Complex/Cyclosome (APC/C) in mammalian oocytes and early embryos. These two molecular pathways are important mechanisms regulating chromosome segregation. We further characterized the effect of proTAME inhibitor on mammalian oocytes. Our results showed that in oocytes identically as in early embryos treated by proTAME inhibitor the APC/C inhibition does not require SAC activity, which is in contrast to the case of somatic cells. Our results indicate that there are important differences in APC/C regulation between oocytes, early embryos and somatic cells. The second study focused on the role of cyclin A1 in oocytes and early embryos. Cyclin A1 is an essential protein for male meiosis; although it is not completely clear whether this protein is expressed in female meiosis or not. Our results showed that the cyclin A1 expression in oocytes is undesirable and that it has severe consequences on the progression through meiosis I. However, this was not observed in early cleavage embryos, where progression through the cell cycle was not affected. This indicates a different ability of APC/C to target its substrates in oocytes and early embryos. In the third presented study we assessed the aneuploidy rate during early development in mouse. Our results showed that the aneuploidy per embryo rapidly increased between 8-cell and 16-cell stage embryos. The results also revealed that embryos possessing aneuploidy from germ cells or the first two mitotic cycles are in vivo eliminated at the 2-cell stage in mouse.

Keywords

oocyte, meiosis, spindle assembly checkpoint, aneuploidy, early embryo, cell cycle, anaphase promoting complex

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 4. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 18. 6. 2021
• Supervisor: doc. MVDr. Martin Anger, CSc.
• Reader: doc. Mag. Dr. Juraj Gregáň, doc. RNDr. Petr Vaňhara, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Animal physiology, immunology and developmental biology / Animal physiology, immunology and developmental biology