Untersuchungen zu den molekularen Grundlagen der nicht-mendelschen Vererbung in der Maus

Abstract

Der t -Haplotyp, eine variante Form von Chromosom 17, wird von heterozygoten Männchen an bis zu 99 % ihrer Nachkommen vererbt. Das Phänomen beruht auf der Bildung von zwei Spermienpopulationen, die eine unterschiedliche Motilität aufwei- sen. Diese Unterschiede sind durch die Wirkung des t -Haplotyp- spezifischen Respon- ders bedingt, der die bevorzugte Vererbung des t -Haplotyps in cis verursacht. Dies legt die Vermutung nahe, dass die Produkte des Responder -Gens Smok1Tcr auf einen Teil der Spermatozoen beschränkt bleiben, obwohl in der Regel bei der Spermato- genese genotypisch unterschiedliche, jedoch phänotypisch identische Spermatozoen gebildet werden. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, wie die selektive Wirkung des Responders auf die t -Spermien, die zur nicht-mendelschen Vererbung des t -Haplotyps führt, mo- lekular zustande kommt. Zur Klärung dieser Frage wurde zunächst in hemizygot transgenen Tieren die Vertei- lung der Produkte des Responder -Gens Smok1Tcr auf die haploiden Zellen im Hoden analysiert. Es wurde gezeigt, dass das Transkript postmeiotisch exprimiert wird und auf einen Teil der Population runder Spermatiden beschränkt bleibt. Das Protein wurde jedoch erst in elongierten Spermatiden nachgewiesen. Folglich unterliegt die mRNA etwa 10 Tage lang translationeller Repression. Dieser Prozess geht häufig mit der Anhaftung der Transkripte an definierte intrazelluläre Strukturen einher, was den Austausch der mRNA im Synzytium unterbinden könnte. Bei der Analyse der Verteilung des Responder -Proteins auf Spermatozoen wurde schließlich nachgewiesen, dass dieses auf einen Teil der Spermien von hemizgygot Smok1Tcr -transgenen Männchen beschränkt bleibt. Dieses Experiment bestätigt so- mit die Bildung von zwei molekular unterschiedlichen Spermienpopulationen durch die zelluläre Restriktion von Smok1Tcr , die auf der posttranskriptionellen Kontrolle und intrazellulären Bindung der mRNA beruhen könnte. Zur Eingrenzung der Elemente, die translationelle Repression bewirken, wurden die 5’ und 3’UTR von Smok1Tcr in vivo funktionell charakterisiert. Hierbei wurde deut- lich, dass die 3’UTR die Translation des Transkripts moduliert, während die 5’UTR für die korrekte Genexpression und -funktion essenziell zu sein scheint. Die Suche nach cis -regulatorischen Elementen in vitro führte zu dem Ergebnis, dass die 5’UTR translationelle Repression verursacht. Das Prinzip, das der Restriktion der Responder -Genprodukte auf eine Spermienpopu- lation zugrunde liegt, scheint darüber hinaus auch für Wildtyp-Smok -Gene zu gelten. Dies legt die Vermutung nahe, dass weitere natürliche Systeme der nicht-mendelschen Vererbung existieren, denen ein vergleichbarer Mechanismus zugrunde liegen könnte.

Males heterozygous for the t -haplotype, a variant form of chromosome 17 in the mou- se, transmit the t -chromosome to up to 99 % of their offspring. This phenomenon relies on the formation of two sperm populations that exhibit differences in motili- ty. The difference is caused by the cis -action of the t -haplotype specific responder Smok1Tcr suggesting that the products of the responder gene are restricted to one population of spermatozoa. The aim of the pro ject was to investigate, how the responder ’s selective action on t -sperm causes non-mendelian inheritance of the t -haplotype. For answering this question I first analyzed the distribution of the gene products of Smok1Tcr to haploid cells in testes of hemizygous transgenic animals. I could show that the transcript is postmeiotically expressed and remains restricted to a subpopu- lation of round spermatids. The protein was first detected in elongated spermatids. Hence, mRNA is sub ject to translational repression for approximately 10 days. This regulatory mechanism is often accompanied by transcript tethering to defined sub- cellular structures. The analysis of the distribution of Smok1Tcr protein in spermatozoa showed restric- tion of the protein to a subset of sperm of hemizygous transgenic males. This experi- ment strongly suggests that t/+ heterozygous males form two phenotypically different sperm populations due to cellular restriction of Smok1Tcr protein. In summary, the most likely mechanism for cis -action of the responder is haploid expression of the gene, tethering of the mRNA preventing exchange within the syn- cytium and translational repression until the haploid cells become isolated. To identify the elements that might cause translational repression I functionally ana- lyzed the 5’ and 3’UTR of Smok1Tcr in vivo. These experiments suggest that the 3’UTR modulates translation of the mRNA, whereas the 5’UTR seems essential for correct gene expression and function. In vitro experiments for the characterization of putative cis -regulatory elements showed that the 5’UTR mediates translational repression. The principle mechanism that underlies the restriction of the responder gene products to a sperm subpopulation also seems to apply to the wildtype Smok genes. This in- dicates that other yet unidentified systems of non-mendelian inheritance might exist.