The molecular architecture of the meiotic chromosome axis as revealed by super-resolution microscopy

• Main Author: Schücker, Katharina
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2018
• Subjects: Meiose; ddc:590
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/14419; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-144199; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-144199; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/14419/Schuecker_Katharina_chromosome.pdf

During meiosis proteins of the chromosome axis are important for monitoring chromatin structure and condensation, for pairing and segregation of chromosomes, as well as for accurate recombination. They include HORMA-domain proteins, proteins of the DNA repair system, synaptonemal complex (SC) proteins, condensins and cohesins. To understand more about their function in shaping the meiotic chromosome it is crucial to establish a defined model of their molecular architecture. Up to now their molecular organization was analysed using conventional methods, like confocal scanning microscopy (CLSM) and transmission electron microscopy (TEM). Unfortunately, these techniques are limited either by their resolution power or their localization accuracy. In conclusion, a lot of data on the molecular organization of chromosome axis proteins stays elusive. For this thesis the molecular structure of the murine synaptonemal complex (SC) and the localization of its proteins as well as of three cohesins was analysed with isotropic resolution, providing new insights into their architecture and topography on a nanoscale level. This was done using immunofluorescence labelling in combination with super-resolution microscopy, line profiles and average position determination. The results show that the murine SC has a width of 221.6 nm ± 6.1 nm including a central region (CR) of 148.2 nm ± 2.6 nm. In the CR a multi-layered organization of the central element (CE) proteins was verified by measuring their strand diameters and strand distances and additionally by imaging potential anchoring sites of SYCP1 (synaptonemal complex protein 1) to the lateral elements (LEs). We were able to show that the two LEs proteins SYCP2 and SYCP3 do co-localize alongside their axis and that there is no significant preferential localization towards the inner LE axis of SYCP2. The presented results also predict an orderly organization of murine cohesin complexes (CCs) alongside the chromosome axis in germ cells and support the hypothesis that cohesins in the CR of the SC function independent of CCs. In the end new information on the molecular organization of two main components of the murine chromosome axis were retrieved with nanometer precision and previously unknown details of their molecular architecture and topography were unravelled. === Innerhalb der Meiose sind Proteine der Chromosomenachse wichtig für das Monitoring der Chromatinstruktur und dessen Kondensation, sowie für die Paarung und Trennung der Chromosomen und für eine fehlerfreie Rekombination. Zu diesen Proteinen zählen HORMA-domain Proteine, Proteine des DNA-Reparatur-Systems und des synaptonemalen Komplexes, sowie Kohäsine und Kondesine. Um mehr über ihre Rolle in der Formgebung meiotischer Chromosomen zu erfahren, ist es unabdingbar ein genau definiertes Modell über ihre molekulare Architektur zu erstellen. Bis jetzt wurde ihre molekulare Organisation mit konventionellen Methoden wie dem konfokalen Laser-Scanning-Mikroskop (CLSM) und dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) untersucht. Beide Techniken sind jedoch entweder in ihrer Auflösung oder ihrer Lokalisationsgenauigkeit beschränkt, wodurch viele Daten zur molekularen Organisation der Chromosomenachse noch nicht erfasst werden konnten. Die vorliegende Arbeit untersucht mit isotropischer Auflösung die molekulare Struktur des synaptonemalen Komplexes (SC) der Maus und die Lokalisation seiner Proteine, sowie die Lokalisation von drei Kohäsinen, was neue Einsichten in deren Architektur und Topographie auf der nanomolekularen Ebene erbrachte. Dies gelang durch die Verwendung von Immunfluoreszenzmarkierungen in Kombination mit hochauflösender Mikroskopie, Linienprofilen und durchschnittlicher Positionsbestimmung. Es konnte gezeigt werden, dass der murine SC eine Weite von 221,6 nm ± 6,1 nm besitzt, inklusive einer 148,2 nm ± 2,6 nm weiten zentralen Region (CR). Innerhalb der CR konnte eine mehrschichtige Anordnung der Proteine des zentralen Elements (CE) bestätigt werden. Dies gelang indem ihre Strangdurchmesser und –abstände gemessen worden sind und zusätzlich potentielle Bindestellen von SYCP1 (synaptonemal complex protein 1) an den lateral Elementen des SCs (LEs) abgebildet werden konnten. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die beiden LE Proteine, SYCP2 und SYCP3, kolokalisieren. Dabei zeigte SYCP2 keine präferentielle Lokalisation im inneren Bereich der LE. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit deuten auf eine organisierte Anordnung der murinen Kohäsin Komplexe (CCs) entlang der Chromosomenachse in Keimzellen hin und unterstützen die Hypothese, dass Kohäsine innerhalb der CR des SC eine Funktion unabhängig der von CCs haben. Schlussendlich konnten neue Informationen zur molekularen Anordnung von zwei wichtigen Komponenten der murinen Chromosomenachse mit einer Präzision im Nanometerbereich gewonnen werden und bisher nicht bekannte Details ihrer molekularen Architektur und Topographie aufgedeckt werden.