The essential role of DICER in spermatogenesis and male fertility

Abstract

Male reproductive health has declined in western countries during recent years. Male infertility is often caused by faults in spermatogenesis, leading to a decreased number of spermatozoa in the semen and/or problems in the sperm morphology and motility. That raises the necessity of understanding the basic molecular mechanisms of the testis function.

Male germ cell differentiation is a complex, precisely organized process that produces mature spermatozoa from spermatogonial stem cells. All the steps during spermatogenesis are governed by strict regulation of gene expression. Small non-coding RNAs, such as microRNAs (miRNAs), are very important gene regulators that function post-transcriptionally to control the stability or translation of their target mRNAs. A crucial player in miRNA pathway is the endonuclease DICER that processes precursor molecules into mature small RNAs.

This study demonstrated the importance of DICER in spermatogenesis and male fertility. By using a conditional knockout mouse model that lacks DICER specifically in post-natal male germ cells, we showed that the absence of functional DICER causes severe defects in male germ cell differentiation. Particularly, the post-meiotic haploid differentiation, including head shaping, chromatin condensation, polarity of developing germ cell, were found to be affected. Dicer1 KO males produced a greatly reduced number of spermatozoa that were all morphologically abnormal, and the males were completely infertile. More detailed analysis revealed that the problems in haploid differentiation were at least partially due to the defects in cell-cell junctions between spermatids and somatic Sertoli cells. Additionally, we characterized the expression of DICER during spermatogenesis, and showed that the DICER expression peaked in meiotic spermatocytes, where it is localized to germ cell-specific RNA granules, germ granules. This research provides novel, important information about the factors required for the maintenance of spermatogenesis, and helps us to understand those factors that are involved in male infertility.

DICER-proteiinin rooli siittiön muodostuksessa ja miesten hedelmällisyydessä

Miesten lisääntymisterveys on merkittävästi heikentynyt viime vuosien aikana. Miesten hedelmättömyys johtuu usein ongelmista siittiön muodostuksen aikana ja heikentyneestä siemennesteen laadusta. Tämä lisää tarvetta tarkalle kivesten toiminnan tuntemukselle.

Spermatogeneesi on kivesten siementiehyissä tapahtuva erittäin monimutkainen tapahtumasarja, jossa sukusolulinjan kantasolusta erilaistuu hedelmöityskykyinen siittiö. Spermatogeneesin aikana geenien ilmentyminen on aktiivista ja vaatii tarkkaa geenien ilmenemisen säätelyä. Muiden RNA-säätelymekanismien ohella pienet RNA-molekyylit, kuten mikroRNA-molekyylit (miRNA) osallistuvat siittiönmuodostuksen aikana tapahtuvaan geenisäätelyyn. miRNA:t säätelevät geenin ilmentymistä sitoutumalla lähetti-RNA:ihin ja aiheuttamalla niiden hajotuksen. DICER-endonukleaasi, joka pilkkoo miRNA:iden esiasteista kypsiä lyhyitä miRNA:ita, on keskeinen entsyymi miRNA:iden prosessoinnissa.

Tämä väitöskirjatyö selvittää DICER-proteiinin roolia spermatogeneesin säätelyssä. Työssä käytettiin hyväksi miesten sukusolu-spesifistä poistogeenistä hiirimallia, jossa Dicer1 -geeni on poistettu sukusolujen kehityksen varhaisessa vaiheessa heti syntymän jälkeen. Näytimme, että DICERin poistaminen aiheuttaa vakavia ongelmia sukusolujen erilaistumisessa, erityisesti meioosin jälkeisissä vaiheissa, kuten siittiön pään muodostumisessa, kromatiinin pakkautumisessa ja solun polarisoitumisessa. Dicer1-poistogeeniset urokset tuottivat vain pienen määrän morfologialtaan epänormaaleja siittiöitä ja urokset olivat täysin lisääntymiskyvyttömiä. Tarkempi analyysi osoitti, että virheet haploidien solujen erilaistumisessa ainakin osittain johtuivat viallisista liitoksista somaattisten Sertoli-solujen ja sukusolujen välillä. Lisäksi selvitimme yksityiskohtaisesti DICERin ilmentymistä ja lokalisaatiota erilaistuvissa sukusoluissa, ja näytimme, että DICERin määrä on suurimmillaan meioottisissa spermatosyyteissä, ja näissä soluissa DICER lokalisoituu sukusoluspesifisiin sytoplasmisiin RNA-rakenteisiin (sukusolurakkula). Tutkimuksen tulokset tarjoavat uutta, merkittävää tietoa niistä tekijöistä, jotka ovat tärkeitä onnistuneelle siittiön muodostumiselle sekä auttaa ymmärtämään miesten hedelmättömyyteen liittyviä tekijöitä.