Molecular regulation of chromosomal dynamics in gametogenesis

• Thesis title in Czech: Molekulární regulace chromosomální dynamiky v gametogenesi
• Thesis title in English: Molecular regulation of chromosomal dynamics in gametogenesis
• Key words: chromosomy, meióza, gametogeneze
• English key words: chromosomes, meiosis, gametogenesis
• Academic year of topic announcement: 2015/2016
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Cell Biology (31-151)
• Supervisor: prof. Pavel Hozák, DrSc.
• Author: Ing. Lenka Hůlková - assigned by the advisor
• Date of registration: 12.10.2015
• Date of assignment: 12.10.2015

Preliminary scope of work

Meióza je klíčovým procesem pohlavní reprodukce a přispívá ke genetické variabilitě organismů. Rozluštění role nových komponentů účastnících se meiotického dělení může významně přispět k pochopení molekulárních mechanismů a dynamiky v průběhu meiózy. Identifikace nových hráčů, které mají vliv na průběh meiózy v gametogenezi patří k důležitému a velice aktuálnímu vědeckému úsilí. Možné poruchy dynamiky chromozomů a možné komplikace během meiotického dělení stále zůstávají neúplně pochopené. Nepřesnosti během meiotické fáze pak vedou ke chromozomálním aberacím, které jsou základem různých genetických poruch (Downův syndrom, Klinefelterův syndrom, syndrom Turner), nebo vedou k neplodnosti u mužů (až 10% mužské populace).
Náš projekt je zaměřen na studium dynamiky chromozómů v gametogenezi v různých eukaryotických modelech (C. elegans, M. musculus) prostřednictvím výzkumu proteinů, podílejících se na začátku meiózy (Profáze I) při párování a formování synaptonemálního komplexu mezi homologními chromozomy. Objevili jsme nečekané zapojení proteinu Vinkulin / DEB-1 do průběhu meiotické profáze. Deplece proteinu DEB-1 má dramatický dopady na stabilizaci spárovaných chromozomů, jejich napojení na cytoskelet a tvorbu synaptonemálního komplexu, což má za následek zpoždění meiózy a velký počet přítomných chromozomálních univalentů. Jaderné funkce Vinkulinu / DEB-1 nebyly dosud popsány. V našem projektu předpokládáme systematické studium funkce tohoto proteinu pomocí panelu strukturálních, molekulárních a genetických metod. Našim cílem je tak odhalit podrobnosti o biologické funkci Vinkulinu / DEB-1 v buněčném jádře v průběhu meiózy.
Studentka Lenka Augustová se ve spolupráci s Janou Rohožkovou (PostDoc) během svého studia zaměří na řešení následujících cílů: 1. Identifikace interakčních partnerů Vinkulinu / DEB-1 v průběhu meiózy; 2. Identifikace úlohy proteinu DEB-1 v průběhu meiózy u C.elegans; 3. Studium funkčních domén proteinu DEB-1 účastnících se meiotické profáze I. Experimentální plán pak bude obsahovat následující postupy, které si studentka osvojí: příprava kvasinkové dvou-hybridní knihovny C. elegans; screening kvasinkové knihovny pro identifikaci interakčních partnerů DEB-1; příprava transgenního hermafrodita
C. elegans pomocí CRISPR/Cas9 exprimující DEB-1::GFP, resp. je deficientní pro tento protein; příprava transgenního C. elegans s bodovou mutací ve vazebných oblastech pro interakční partnery pomocí TALEN (podle identifikovaných interakčních partnerů skríningem Y2H pak mutace vazebních míst pro Talin, α-Actinin α-Catenin, Arp2/3, F-actin, PIP2 a Paxillin). Plánované experimenty jsou logickým pokračováním publikace, v současné době připravované k uveřejnění.
Naše laboratoř je plně technicky vybavena pro uvedený výzkum, projekt je finančně pokryt projektem BIOCEV, grantem OPVK a v současné době žádáme o grant GAČR. Protože tento projekt popisuje zajímavou a doteď neprostudovanou problematiku „tance chromozomů“ věřím, že během doktorandského studia budou získány cenné nové poznatky, publikovatelné v impaktovaných časopisech.

Preliminary scope of work in English

Meiosis is the key process of sexual reproduction and contributes to the genetic variability of organisms. Deciphering the role of new components involved in the meiotic division can contribute significantly to the understanding of molecular mechanisms and dynamics during meiosis. Identification of new players which have influence on the process of meiosis in gametogenesis belongs to an important and very current scientific effort. Possible faults dynamics of chromosomes and possible complications during meiotic division remain incompletely understood. Inaccuracies during meiotic phase then lead to chromosomal aberrations which are the basis of various genetic disorders (Down syndrome, Klinefelter's syndrome, Turner's syndrome), or lead to infertility in males (up to 10% of the male population).
Our project is focused on study of the dynamics of chromosomes in gametogenesis in various eukaryotic models (C. elegans, M. musculus) through research of proteins involved in the beginning of meiosis (Prophase I) during the pairing and the formation synaptonemal complex between homologous chromosomes. We discovered an unexpected involvement of protein vinculin / DEB-1 during meiotic prophase. Depletion DEB-1 protein has a dramatic impact on the stabilization of paired chromosomes, their connection with the cytoskeleton and formation synaptonemal complex. This leads to delays and the large number present of meiosis univalent chromosome. Nuclear function vinculin / DEB-1 have not been described. In our project we expect a systematic study of the function of this protein by using the structural, molecular and genetic methods. Our goal is to uncover the details of the biological function of vinculin / DEB-1 in the cell nucleus during meiosis.
During their studies, student Lenka Augustová in collaboration with Jana Rohožková (PostDoc) will focus on addressing the following objectives: 1. Identification of interaction partners of vinculin / DEB-1 during meiosis; 2. Identification of the role of the protein DEB-1 during mitosis in C. elegans; 3. Study of functional domains of the protein-DEB 1 involved in meiotic prophase I. The experimental plan will include the following practices that student will learn: preparation of the yeast two-hybrid library of C. elegans; screening yeast libraries for identification of interaction partners of DEB-1; preparation of transgenic C. elegans hermaphrodite using the CRISPR / Cas9 expressing DEB-1::GFP, respectively it is deficient for this protein; preparation of transgenic C. elegans with a point mutation in the binding areas for interaction partners using TALEN (according to identified interaction partners (using yeast two-hybrid) mutation of binding sites for Tallinn, α-Actinin α-Catenin, Arp2 / 3, F-actin, Paxillin and PIP2). Planned experiments are the logical continuation of the publication which is currently being prepared for publishing.
Our laboratory is fully technically equipped for this research. The project is financially covered by BIOCEV project, by OPVK grant and is currently applying for a GAČR grant. Because this project describes an interesting and until now unstudied the issue of "dancing chromosomes", I believe that during postgradual studies will be gained valuable new knowledge publishable in journals.