• Nenhum resultado encontrado

Understanding the roles of PIWIL3 and TACC3 proteins during bovine oocyte development

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Understanding the roles of PIWIL3 and TACC3 proteins during bovine oocyte development"

Copied!
58
0
0

Texto

(1)

Universidade de Lisboa 

Faculdade de Ciências 

Departamento de Biologia Animal 

UNDERSTANDING THE ROLES OF PIWIL3 AND 

TACC3 PROTEINS DURING BOVINE OOCYTE 

DEVELOPMENT 

 

 

 

 

ANA RITA CANHOTO LEITOGUINHO 

 

 

 

Dissertação 

Mestrado em Biologia Evolutiva e do Desenvolvimento 

2012

(2)

Universidade de Lisboa 

Faculdade de Ciências 

Departamento de Biologia Animal 

UNDERSTANDING THE ROLES OF PIWIL3 AND 

TACC3 PROTEINS DURING BOVINE OOCYTE 

DEVELOPMENT 

   

ANA RITA CANHOTO LEITOGUINHO 

 

 

Dissertação 

Mestrado em Biologia Evolutiva e do Desenvolvimento 

 

Dissertação orientada por: 

Professora Dra. Maria Gabriela Rodrigues (DBA/FCUL) 

Professor Dr. Bernard Roelen (BRC/UU) 

2012

(3)

Acknowledgements  

 

 

I would like to express my deep and sincere gratitude to Bernard for this opportunity  and  for  being  always  there  when  I  needed.  Also  a  special  thanks  to  the  entire  lab,  in  particular to Mahdi for his patience, help and great talks, to Eric for the tips on music and to  Leni for her constant guidance and assistance in the Lab.   From the warm and dry part of Europe, my sincere thanks to Gabriela for her support  and great advices.    Para a minha mãe, pai e irmã um muito obrigado por me providenciarem tudo o que  sempre precisei, mesmo nestes tempos difíceis. Nunca teria conseguido sem a vossa ajuda.    

To  all  my  friends,  can’t  thank  you  enough.  Thank  you  to  Nuno,  Luís,  Silvia,  Yuri  and  Filipa for your help during rough times and for your friendship. Also, to all Utrecht friends, a  big cheers for your welcoming feeling.   Last but not least, a loving gratitude to Stephin for his boundless wisdom, smile and  company.      This thesis is for all of you.     Ana Rita Leitoguinho / Toga                    In loving memory of my grandfather 

(4)

Abstract 

 

In  order  to  achieve  a  healthy  embryo,  the  germline  needs  to  properly  develop  while  protecting its genome against endogenous and exogenous adversities. The PIWI proteins, a  subgroup  of  Argonaute  proteins,  are  involved  in  the  search  and  silencing  mechanism  of  transposons  ‐  genetic  transposable  elements‐  through  a  mechanism  of  complementarity  with piRNAs (Piwi‐interacting RNAs). These proteins are germline‐specific and are thought to  be also male‐specific in mammals. PIWIL3 (Piwi‐like 3) is part of this family and it is present  in the human and bovine genome, while rodents have PIWIL1, PIWIl2 and PIWIL4, but lack a  gene  for  PIWIl3.  Recent  findings  on  bovine  cells  suggested  a  role  for  PIWIL3  in  the  female  germline, the oocyte. Here, PIWIL3 protein was detected both in the bovine oocyte and in  somatic  cells  surrounding  it,  using  an  antibody  directed  against  the  Human  PIWIL3  suggesting a role for this protein in protecting the oocyte genome. 

Besides protecting the genome, the oocyte also needs to enroll meiosis. Transforming  acidic  coiled‐coil  3  (TACC3)  acts  in  a  complex  with  ch‐TOG  and  clathrin  to  ensure  mitotic  spindle stability and organization. TACC3 is phosphorylated and activated by Aurora‐A kinase  and  it  is  responsible  for  TACC3’s  proper  placement  in  the  centrosomes.  The  order  of  recruitment of these proteins to the spindle is still open for debate, as it is the role of TACC3  during  meiosis.  Our  antibody  designed  to  identify  bovine  PIWIL3  was  in  fact  recognizing  TACC3 and we could therefore study the spatiotemporal localization of TACC3 in the oocyte  and  during  embryo  development.    When  bovine  oocytes  are  matured  with  MLN8054,  an  Aurora‐A  inhibitor,  they  exhibit  (i)  dispersion  of  TACC3  protein  in  the  cytoplasm  (ii)  formation of an abnormal meiotic spindle (ii) meiotic arrest in the metaphase I stage and (iii)  decreased percentage of blastocyst formation suggesting a role of TACC3 in meiotic spindle  assembly, vital for oocyte and early embryo development.  

 

(5)

Resumo em Português  

 

Todos os indivíduos que se reproduzem sexualmente combinam a sua informação genética  para criar um novo ser e apesar de todas as células possuírem esta informação, apenas as  células  sexuais  são  capazes  de  a  transmitir  à  descendência.  É  por  isso  vital  proteger  estas  células  de  fatores  externos  ou  internos  que  possam  afetar  o  seu  genoma  bem  como  certificar  um  correto  desenvolvimento  do  oócito  com  o  intuito  de  formar  um  embrião  saudável.  

O processo de maturação do oócito envolve o desenvolvimento da célula bem como a  criação de estruturas de suporte que o protegem de agressões externas. A Foliculogénese é  processo  responsável  pelo  suporte  físico  do  oócito,  altamente  regulado  hormonalmente  pelo  ovário,  onde  várias  camadas  celulares  são  formadas  consecutivamente  em  volta  do  oócito, contribuindo para que o resultado final seja uma célula sexual protegida, formando o  folículo  antral.  Concomitantemente,  também  a  própria  célula  sofre  alterações  críticas.  Durante  a  maturação  nuclear  do  oócito,  ou  oogénese,  é  essencial  que  este  reduza  o  seu  número  de  cromossomas  a  metade,  formando  um  gameta  haplóide  (com  metade  da  informação  genética).  Após fertilização, este resultará num zigoto  diplóide  (com o  total  da  informação  genética)  com  informação  materna  e  paterna  que  diferem  não  apenas  na  informação genética mas  também em  fatores  associados que  são transmitidos não por via  genética, mas por via epigenética. 

Para  além  dos  rearranjos  nucleares  acima  referidos,  também  o  genoma  da  célula  sexual  está  sujeito  a  agressões  endógenas,  como  os  transposões,  elementos  móveis  do  genoma  que  se  podem  inserir  em  diversas  zonas,  podendo  interferir  com  a  transcrição  de  genes vitais para a célula. Existem vários mecanismos de defesa celular que silenciam estes  elementos,  um  destes  é  o  RNA  de  interferência  (RNAi)  que,  com  ajuda  de  proteínas  Argonautas,  consegue  localizar  e  silenciar  RNA  mensageiro  (mRNA)  através  de  um  mecanismo de complementaridade, evitando a sua propagação pelo genoma. Esta família de  Argonautas contém o grupo de proteínas PIWI cuja expressão é restrita às células da linha  germinal.  Recentemente  descobriu‐se  que  estas  proteínas  PIWI  são  alvo  de  um  tipo  particular  de  RNAi,  os  piRNAs  (Piwi‐interacting  RNAs)  cuja  principal  função  é  silenciar  elementos transponíveis na linha germinal. Tendo como base mutantes PIWI em Drosophila  que  ativam  transposões,  o  estudo  de  proteínas  PIWI  e  piRNA  tem  avançado  bastante  nos  últimos  tempos  revelando  também  em  C.  elegans,  Zebrafish  e  ratinho  o  papel  destas 

(6)

proteínas  na  formação  da  linha  germinal.  No  ratinho  existem  três  genes  da  família  PIWI:  Miwi (Piwi‐like 1), Mili (Piwi‐like 2) e Miwi2 (Piwi‐like 4) e mutantes destes genes resultam  em esterilidade masculina, em contraste com Drosophila e Zebrafish onde ambas as linhas  germinais  masculina  e  feminina  são  afetadas.  Até  à  data  não  se  sabe  a  função  destas  proteínas  na  linha  germinal  feminina  de  mamíferos,  razão  pela  qual  a  descoberta  de  um  quarto gene Piwi‐like (PIWIL3) em mamíferos que não o ratinho suscitou bastante interesse.  Recentemente, este gene foi descrito em oócitos de bovinos e a facilidade em obter oócitos  de  vaca  fizeram  com  que  este  organismo  fosse  o  escolhido  para  o  estudo  desta  proteína  PIWIL3.  

Os  nossos  resultados  revelaram  primeiro  que  tudo  que  o  anticorpo  e  primers  construídos  anteriormente  para  a  proteína  PIWIL3  em  vaca  estavam  mal  construídos.  Propomos aqui um padrão de expressão proteico diferente do anteriormente documentado.  Com  o  uso  de  anticorpos  anti‐humano  dirigidos  a  PIWIL3,  identificou‐se  a  proteína  nas  células de suporte que rodeiam o oócito, sugerindo que a expressão desta proteína PIWI em  vaca não é específica para a linha germinal. Esta presença de PIWIL3 na linha somática que  rodeia  o oócito  pode  ser  essencial  para  a  proteção do genoma  do  oócito, essencial para  a  correta propagação da informação genética à descendência.  

 

Aquando do estudo de PIWIL3, descobriu‐se que o anticorpo estava a reconhecer uma  outra proteína em vez de PIWIL3, a TACC3 (Transforming Acidid Coiled‐Coil protein 3), o que  fez  com  que  este  projeto  se  começasse  a  focar  no  papel  desta  outra  proteína  durante  o  desenvolvimento do oócito. 

Também uma correta divisão celular é essencial para uma célula sexual e as proteínas  TACC (Transforming acidic coiled‐coil proteins) estão de mãos dadas com esta prática. Estas  proteínas estão presentes em diferentes organismos e localizam‐se tanto nos microtúbulos  que se formam durante o processo de separação dos cromossomas como nos centrossomas,  estruturas  que  se  localizam  nos  dois  pólos  opostos  do  fuso  mitótico.  Em  ratinho  são  conhecidas três proteínas TACC ‐ TACC1, TACC2 e TACC3 ‐ e sabe‐se que TACC3 é essencial  para a correta formação do fuso mitótico durante uma mitose. Mutantes TACC3 revelaram  um  fuso  mitótico  anormal  que,  juntamente  com  cromossomas  desalinhados  na  placa  metafásica,  originam  incorreta  segregação  cromossómica,  resultando  em  células‐filha  com  diferente  conteúdo  cromossómico.  O  recrutamento  de  TACC3  para  os  microtúbulos  que  formam o fuso é regulado por uma kinase, a Aurora‐A, que é responsável pela fosforilação e  ativação  desta  proteína  em  diversas  espécies  como  Drosophila,  C.elegans,  Xenopus  e 

(7)

Humanos.  Quando  esta  kinase  é  inibida,  por  exemplo  pelo  composto  MLN8054,  a  mitose  falha  de  forma  semelhante  aos  mutantes  de  TACC3,  contudo  alguma  células  conseguem  dividir‐se, ainda que originando células aneuplóides ou tetraplóides. Porém, TACC3 não atua  sozinha  e  recentemente  foi  descoberto  que  o  faz  em  conjunto  com  outras  duas  proteínas  num  complexo  proteíco  denominado  TACC3/ch‐TOG/clatrina.  TACC3,  clatrina  e  ch‐TOG  (Colonic‐hepatic  Tumour  Overexpressed  Gene)  atuam  como  pontes  entre  microtúbulos  e  têm como função estabilizar estas fibras. Apesar de se saber que todos os intervenientes do  complexo são importantes, a ordem de recrutamento dasdiferentes proteínas ainda é alvo  de uma acesa discussão entre defensores que afirmam que clatrina recruta TACC3 e outros  que defendem ser TACC3 o primeiro componente do complexo, recrutando clatrina. 

Apesar  de  ter  sido  estudada  em  oócitos  de  ratinho,  informação  sobre  a  função  da  proteína  TACC3  durante  a  meiose  de  mamíferos  é  quase  nula,  o  que  realça  a  importância  deste  estudo.  Os  nossos  resultados  demonstram  que  a  proteína  se  encontra  rodeando  a  cromatina  do  oócito  e  no fuso meiótico  do  mesmo  durante a meiose, sugerindo  um papel  semelhante  ao  documentado  no  ratinho  quanto  à  manutenção  dos  microtúbulos  do  fuso.  Quanto  à  sua  função,  foi  utilizado  um  inibidor  de  Aurora‐A,  MLN8054,  que  resultou  numa  paragem no desenvolvimento do oócito na metafase I, efeito semelhante aos previamente  descritos em células humanas. Também o fuso meiótico revelou sérias perturbações quando  os  oócitos  maturam  num  meio  com  o  inibidor  o  que,  juntamente  com  a  dispersão  da  proteína  TACC3  no  citoplasma  e  a  diminuição  da  percentagem  de  blastocistos  formados,  sugere que este  inibidor estará a  influenciar a expressão ou ativação de  TACC3. Apesar de  não conseguirmos saber ao certo com este estudo se TACC3 esta de fato inibida, é essencial  averiguar o padrão de fosforilação desta proteína para poder estabelecer uma ligação causa‐ efeito entre o inibidor e a fosforilação/correta localização de TACC3. Também nesta tese é  proposto  um  modelo  de  recrutamento  do  complexo  que  se  baseia  na  possibilidade  de  ser  TACC3 o primeiro e talvez principal interveniente. 

 

Em suma, os resultados desta tese referentes a TACC3 e a PIWIL3 revelam que ambas  aparentam  ter  uma  função  durante  o  desenvolvimento  da  linha  sexual  feminina  e  é  considerado  de  extrema  importância  estudar  ambas.  Quanto  aos  entraves  que  o  projeto  PIWIL3 sofreu, apesar de ter afetado parte da investigação da PIWIL3, serviu também para  conhecer  esta  nova  proteína,  a  TACC3,  em  oócitos.  Esta  tese  propõe  um  padrão  de  expressão diferente de PIWIl3 com uma possível função também na linha somática em redor  do oócito. Quanto a TACC3 os nossos resultados revelaram que quando a sua ação é inibida, 

(8)

os oócitos não progridem na oogénese e revelam anomalias no fuso. Assim é sugerido que  esta  proteína  tenha  um  papel  crucial  no  processo  de  formação  e  correto  alinhamento  dos  cromossomas na placa metafásica durante o desenvolvimento do oócito de vaca.  

 

(9)

Table of Contents 

  Acknowledgements ... I  Abstract ... II  Resumo em Português ... III  Table of Contents ... VII  Index of Figures ... IX  Index of Tables ... X  Index of Supplementary Tables ... X    Introduction ... 1  Follicle development protects the cell from outside adversities ... 1  Oocyte Development and Maturation ... 2  Protecting germ cell’s integrity via Argonaute proteins ... 5  Unraveling PIWI proteins in germ cells throughout species ... 6  Disclosures in the PIWIL3 former research ... 7  Transforming Acidic Coiled‐Coil (TACC) Proteins ... 9  Phosphorylation and activation of TACC3 by Aurora‐A kinase ... 11 

TACC3/ch‐TOG/clathrin  complex  stabilizes  kinetochore  fibers  by  inter‐microtubule  bridging ... 12  TACC3/ch‐TOG/clathrin complex activation, two hypotheses ... 13    Material and methods ... 15  Oocyte collection and in vitro maturation ... 15  In vitro fertilization and embryo culture ... 15  Immunocytochemistry ... 16  Immunofluorescence ... 17  Western blotting ... 18  Aurora‐A inhibition experiment ... 19    Results ... 20  Sorting out the bovine Piwi‐like 3 antibody and unraveling Transforming Acidic Coiled‐ Coil protein 3 (TACC3) ... 20 

(10)

Detection  of  PIWIL3  expression  in  bovine  oocytes  using  antibodies  directed  against  the human sequence ... 22  TACC3’s expression pattern during oocyte and early zygote development: its presence  surrounding chromatin and the meiotic spindle ... 24  TACC3’s presence surrounding the metaphase plate in the metaphase II ... 26  TACC3 partially overlaps with α‐tubulin during oocyte and early zygote development  ... 27 

Discerning  TACC3  function:  using  MLN8054  compound,  an  Aurora‐A  inhibitor,  decreases oocyte developmental progress and causes spindle anomalies ... 29  Effects of MLN8054 on TACC3 protein expression ... 31    Discussion ... 33  PIWIL3 during bovine oocyte development ... 33  TACC3 protein in bovine oocyte development ... 35  Future perspectives ... 39  Concluding remarks ... 39    References ... 40    Supplementary Information ... XI   

(11)

Index of Figures 

  Figure 1‐ Schematic representation  of bovine folliculogenesis. ... 2  Figure 2‐ Schematic representation of bovine oogenesis ... 3  Figure 3 ‐ Schematic representation of siRNA‐guided mRNA cleavage. ... 5  Figure 4 ‐ Homology between mammalian PIWI proteins. ... 7  Figure 5 ‐ mRNA quantification of PIWIl3 and PIWIL3 expression pattern ... 8 

Figure  6  ‐  Centrosome  and  spindle  localization  of  TACC  proteins  in  C.  elegans,  D.  melanogaster, X. laevis and Human. ... 10  Figure 7 ‐ Depletion of Xenopus’ TACC3 (xTACC3): effects on the spindle. ... 11  Figure 8 ‐ Two models representing the recruitment of  the complex TACC3/ch‐TOG/clathrin  to the spindle. ... 13  Figure 9 ‐ Schematic representation of two Piwi‐like 3 aminoacid sequences ... 20  Figure 10 ‐ Double stainings TACC3 and ’TACC3’ during oocyte maturation and blastocyst.  21  Figure  11  ‐  Merge  channels  of  (A)  DAPI  and  PIWIL1  and  (B)  DAPI  and  PIWIL2  expression  patterns during metaphase II. ... 22 

Figure  12  ‐  Schematic  representation  of  the  human  Piwi‐like  3  aminoacid  sequence  and  bovine Piwi‐like 3 aminoacid sequences ... 22 

Figure 13 ‐ HPIWIL3‐A and HPIWIL3‐B stainings on different staged oocytes and blastocysts.  ... 23 

Figure  14  ‐  Immunocytochemistry  results  for  HPIWIL3‐A  and  PIWIL3‐B  in  human  testis,  bovine testis and bovine ovary. ... 24  Figure 15 ‐ ‘TACC3’ expression pattern during oocyte development and early embryogenesis.  ... 25  Figure 16 ‐ Microfilament and microtubule stainings on metaphase II oocytes ... 26  Figure 17 ‐ Double stainings ‘TACC3’ and actin on metaphase II oocytes. ... 27  Figure 18 – Double stainings  of ‘TACC3’ and microtubules on oocytes and early zygotes. ... 29  Figure 19 ‐Effect of MLN8054 throughout oocyte developmental progress ... 30 

Figure  20  –  Effect  of  MLN8054  on  oocyte  polar  body  percentage  and  percentage  of  blastocyst formation from cleaved embryos ... 30 

Figure 21 ‐ Effects of MLN8054 on oocyte meiotic spindle during oocyte maturation process  ... 31 

Figure 22 ‐ Effects of MLN8054 on TACC3 protein expression pattern during metaphase I and  II oocytes. ... 32 

(12)

Figure 23 ‐ Western Blot on TACC3 protein and β‐actin in four different groups ... 32 

Figure  24  –  Proposed  TACC3/ch‐TOG/clathrin  recruitment  to  the  spindle  and  centrosomes  during bovine oocyte development ... 38 

 

Index of Tables 

  Table 1 ‐ Composition of multiple culture mediums used during oocyte in‐vitro maturation  and fertilization and embryo culture. ... 15  Table 2 ‐ Detailed description of the antibodies used. ... 17  Table 3 ‐ Detailed description of the Buffers used on the Western Blot. ... 19  Table 4 ‐ Experimental design for the MLN8054 experiment. ... 19 

 

Index of Supplementary Tables 

 

Supplementary Table 1 ‐ Effect of MLN8054 during oocyte meiosis progression ... XI  Supplementary Table 2 ‐ Effect of MLN8054 during polar body extrusion. ... XI  Supplementary Table 3 ‐ Effect of MLN8054 on blastocyst formation. ... XI 

(13)

Introduction 

 

For  centuries,  the  question  of  how  a  new  being  comes  into  existence  has  provided  a  constant  intellectual  challenge  and,  since  ancient  Greece,  several  philosophers  have  attempted to connect fertilization events with the creation of a new being. Once the in vivo  fertilization mechanism was understood, the molecular mechanisms underlying the process  presented  the  subsequent  challenge.    In  1978,  the  first  human  birth  originating  from  a  successful  in‐vitro‐fertilization  (IVF)  was announced 1,  an  accomplishment  which  earned  Robert Edwards the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 2010. The process of embryonic development goes through distinct stages with specific cell  types, which differ from somatic ones in their capacity to pass our genetic code to the next  generation. These are called germ cells and give rise to gametes in organisms with a sexual  reproductive system. Germline development involves specification of primordial germ cells  (PGCs) and their migration to special regions which will develop into the gonads, where the  germ  cells  can  be  stored  and  preserved.  The  PGCs  in  mammals  arise  through  a  complex  signaling  process  that,  together  with  transcriptional  regulators,  inhibit  somatic  gene  expression  while  activating  germline  genes,  thereby  preserving  germ  cell  pluripotency 2.  Later  on,  the  germ  cells  undergo  two  divisions,  a  reductional  and  a  non  reductional  one,  after which they can be called either an oocyte or a sperm cell. Despite oocyte development,  also  the  outside  of  the  cell  has  to  be  protected  and  so,  a  follicle  is  matured  in  order  to  protect the oocyte integrity. 

 

Follicle development protects the cell from outside adversities  

 

Whilst  oocyte  maturation  is  taking  place,  also  the  exterior  of  the  oocyte  undergoes  significant changes inside the ovarium through a process termed folliculogenesis (Fig. 1). 

Coincident  with  the  start  of  meiosis,  oocytes  become  enclosed  by  a  single  layer  of  somatic cells, the so‐called pre‐granulosa cells 3, thus forming the primordial follicles (Fig. 1) 

that are thought to comprise the pool of resting follicles which defines postnatal ovarian life  span  4.  When  the  follicles  are  recruited  to  undergo  meiosis,  the  pre‐granulosa  cells  surrounding  the  oocyte  change  from  a  flattened  to  a  cuboidal  shape  and  are  then  called  granulosa cells 5.   

(14)

Moreover,  both  the  oocyte  and  the  granulosa  cells  grow  further  and  the  primary  follicle (Fig. 1) becomes surrounded by a multiple layer of stroma cells 5, forming the theca.  The  oocyte  becomes  involved  by  the  zona  pellucida,  characterizing  the  secondary  follicle,  and  during  this  phase,  it  builds  up  a  store  of  mRNAs  proteins,  crucial  for  its  development  competence 6.  A  subsequent  tertiary  follicle  has  a  complete  zona  pellucida  and  starts  to 

develop  an  antral  cavity  (Fig.  1).  The  antral  follicle  is  characterized  by  further  proliferation  and  differentiation,  where  internal  and  external  theca  layers  can  be  distinguished  and  the  internal cavity is filled with follicular fluid (Fig.1). This cavity pushes the oocyte to one side of  the  follicle  and  it  becomes  surrounded  by  cumulus  cells,  forming  the  cumulus‐oocyte  complex (COC) 7. In cattle, a tight communication between the cumulus cells, the follicular  fluid and the oocyte is crucial for the oocyte’s proper development and is thought to directly  influence its developmental competence both in vivo and in vitro 7,8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Oocyte Development and Maturation  

  During oocyte development, two distinct maturation processes can be distinguished, nuclear  maturation  and  cytoplasmic  maturation.  At  the  stage  of  cytoplasmic  maturation,  mRNA,  proteins  and  nutrients  accumulate  in  the  cytoplasm,  thus  allowing  the  oocyte  to  sustain  early embryonic development 9.  Figure 1‐ Schematic representation of bovine folliculogenesis. Five phases are represented from primordial follicle to antral follicle. In bovine oocytes, primordial follicle reaches 30µm, primary follicle reach between 30‐60µm, secondary follicle 60µm, tertiary follicle 100µm and antral follicle may reach 120µm.  O‐ Oocyte; ZP‐ Zona pellucida, GV‐Germinal vesicle, CC‐ Cumulus cells, GC‐ Granulosa cells, IT‐ Internal theca, ET‐ External theca.   Bovine Folliculogenesis

(15)

All  through  mammalian  nuclear  maturation,  the  oocyte  undergoes  meiotic  cell  division,  which  implies  a  reduction  in  chromosome  number,  accomplished  through  two  consecutive nuclear divisions termed meiosis I II. This process arrests in two distinct phases,  the prophase I and the metaphase II stage, and it is unique to diploid germ cells. The process  of oocyte meiosis, can be described through different stages 2,10 (Fig. 2).          Meiosis starts with the prophase I, the longest and most complex phase of the meiotic  cell  division.  This  phase  can  be  divided  into  five  distinct  stages:  leptotene,  zygotene,  pachytene, diplotene and diakinesis. At leptotene (Fig. 2, stage 1), the chromosomes, which  at this stage already consist of two sister chromatids, thicken and become visible while the  centrosomes begin to move toward opposite poles.  During zygotene (Fig. 2,  stage 2), each  chromosome seeks out its homologous partner and both are “zipped” together by a protein  structure  called  synaptonemal  complex,  in  a  process  known  as  synapsis.  This  will  only  be  completed  at  the  pachytene  stage  (Fig.  2,  stage  3)  where  Crossing‐over  occurs,  i.e.,  the  genetic exchange between non‐sister chromatids of a homologous pair. In the penultimate  stage, termed diplotene (Fig. 2, stage 4), the synaptonemal complex dissolves and a tetrad of  four  chromatids  becomes  visible.  Additionally,  the  former  crossing‐over  points  appear  as  chiasmata, which hold nonsister chromatids together. Diplotene is the first regulatory check‐ point in oocyte meiosis, which can result in a meiotic arrest in a variety of species, including  cow and human. Prophase I is then completed by the diakinesis stage (Fig. 2, stage 5), which 

Figure  2‐  Schematic  representation  of  bovine oogenesis.  The  different  phases  are  divided  in  12  steps  in  which  the  first  5

belong to the prophase I stage. The arrests represented in the figure concern the two known meiotic arrests known in bovine during prophase I and metaphase II.  A‐ First polar body B‐ Sperm cell C‐ Second polar body D‐ Male and female pronuclei. 

(16)

is  characterized  by  further  chromatid  condensation  (Germinal  Vesicle  (GV)),  breakdown  of  the  nuclear  membrane  ‐  in  a  process  termed  Germinal  Vesicle  Breakdown  (GVBD)  ‐  and  spindle formation 2,10. 

Subsequently,  the  cells  enter  metaphase  I,  when  the  tetrad  lines  up  along  the  metaphase plate and each chromosome of a homologous pair attaches to microtubule fibers  from  opposite  poles.  This  is  accomplished  through  the  fusion  of  both  sister  chromatids’  kinetochore, thus providing each chromosome with only one functional kinetochore which  attaches to opposite spindles. Simultaneously, sister chromatids attach to microtubules from  the  same  pole  (Fig.  2,  stage  6) 2,10.  At  the  onset  of  the  next  stage,  the  anaphase  I,  the  chiasmata dissolves, allowing the homologous to move towards opposite spindle poles. The  centrosome, however, does not divide, meaning that homologous chromosomes with sister  chromatids  move towards opposite sides (Fig. 2, stage 7) 2,10. Succeeding anaphase I is the 

telophase  I,  at  the  end  of  meiosis  I.  During  this  reductional  division,  each  daughter  cell  receives  half  the  number  of  chromosomes,  all  consisting  of  two  sister  chromatids,  culminating with an asymmetric cell division and the extrusion of the first polar body, which  usually does not undergo the second meiotic division (Fig. 2, stage 8) 2,10.  

The oocyte now enters the second division process, meiosis II. Starting the metaphase  II, the chromosomes align at the metaphase plate and the kinetochores of sister chromatids  attach to opposite microtubule spindle fibers. Most vertebrate oocytes arrest again at this  stage,  where  they  can  remain  for  a  long  time  until  fertilization  occurs  (Fig.  2,  stage  9) 2,10.  Upon fertilization, the kinetochore of sister chromatids is disrupted and microtubule fibers  can attach to each centrosome of each sister chromatid, therefore pulling them on opposite  directions (Fig. 2, stage 10) 2,10. This stage is termed anaphase II and after it is completed, the  telophase II takes place, where another asymmetrical division is complete and the oocyte is  provided  with  the  second  polar  body.  The  larger  cell,  the  oocyte,  occupies  95%  of  the  cytoplasm and is now a functional female pronuclei (Fig. 2, stage 11) 2,10. 

By  the  end  of  oocyte  meiosis,  the  zygote  is  formed  (Fig.  2,  stage  12)  and  the  two  pronuclei,  arising  from  the  female  and  male  progenitor,  approach  each  other.  Their  membranes  break  down  and  DNA  replication  takes  place  as  they  form  a  common  mitotic  spindle and align in a common metaphase plate. A true diploid nucleus is first seen not in the  zygote  but  at  the  2‐cell  stage,  after  the  first  of  many  mitotic  divisions  that  will  ultimately  originate  a  full  individual.  Besides  ascending  from  different  genders,  the  pronuclei  are  not  equivalent  and  if  the  zygote’s  genetic  material  is  derived  solely  from  one  parent,  normal  development  will  not  take  place.  Different  methylation  patterns  and  epigenetic  events 

(17)

contribute to the difference in both genomes 2,11. Although interchange of the genome such  as  the  one  that  occurs  during  meiosis  is  important  for  evolutionary  success,  it  is  simultaneously  important  to  protect  the  germ  cell  genome  from  potentially  precarious  mutations, particularly since these would be carried out throughout generations.  

 

Protecting germ cell’s integrity via Argonaute proteins  

 

In  addition  to  follicular  and  cytosolic,  also  the  nuclear  environment  is  vital  for  a  proper  oocyte  formation.  Germ  cells  exhibit  an  unforeseen  diversity  of  RNA  interference  (RNAi)  mechanisms  that  are  caught  up  in  many  gene‐regulatory  mechanisms,  such  as  genome  defense  against  viruses  and  transposable  elements,  developmental  competence  and  silencing activity 12,13

Small interference RNA (siRNA) is a 20‐30 base‐pair double stranded fragment 14 and  one strand, the guide RNA, can be incorporated into the protein complex RISC (RNA‐Induced  Silencing Complex). The nuclease component of RISC known as Argonaute (AGO) uses these  small  RNAs  to  select  mRNA  for  degradation 12,14–16  and  these  proteins  are  central  in  RNA‐ mediated gene silencing processes.                

The  AGO  proteins  consist  of  four  domains  (Fig.  3):  the  N‐terminal  domain;  the  PAZ  domain;  the  MID  domain;  and  the  PIWI  domain,  which  has  the  important  endonucleolytic  activity  in  some  AGOs 17,18.  Hence,  Argonaute,  the  signature  component  of  RISC,  seems  to  have slicer activity 16. 

The PIWI subclass of Argonaute proteins has recently emerged in model organisms as  a  target  for  a  special  kind  of  small  RNAs:  the  Piwi‐interacting  RNAs  (piRNAs) 19.  The  main  currently known function of piRNAs is to silence transposable elements (TEs) in the germline,  and  this  role  is  highly  conserved  across  animal  species.  Association  of  piRNAs  with  PIWI  proteins  forms  an  active  piRNA‐Induced  Silencing  Complex  (piRISC)  that  can  recognize  and 

Figure  3 ‐ Schematic  representation  of  siRNA‐guided  mRNA

cleavage. The siRNA (yellow) binds with its 3’ end in the PAZ cleft and the 5’ is predicted to bind near the other end of the cleft. The mRNA  (brown)  comes  in  between  the  N‐terminal  and  PAZ domains and out between the PAZ and middle domain. The active site  in  the  PIWI  domain  (shown  as  scissors)  cleaves  the  mRNA opposite the middle of the siRNA guide18 

(18)

silence complementary mRNA targets. Genetic evidence has demonstrated that, in addition  to  piRNAs,  PIWI  proteins  are  necessary  for  TE  silencing  and  have  crucial  roles  in  gonadal  development 20,21.  

 

Unraveling PIWI proteins in germ cells throughout species 

 

Two  Piwi  family  members  in  Drosophila,  Aubergine  and  Piwi,  were  found  to  bind  with  piRNAs  in  ovaries 22,23.  Transposition  of  telomeric  retroelements  is  enhanced  in  aubergine  mutants whereas piwi mutants mobilized the endogenous retrovirus gypsy 24. Both mutants  demonstrated derepression of retrotransposons 23. Mutations in piwi and aubergine lead to  severe defects in gametogenesis and piwi is essential in the asymmetrical division essential  for  the  renewal  of  germline  stem  cells  (GSCs).  Indeed  adult  piwi  mutant  gonads  lack  any  GSCs and gametes 25.   

The  Xenopus  PIWI  protein  Xiwi  is  expressed  in  germ  cells  and  piRNAs  are  the  predominant  class  of  small  RNAs  in  Xenopus  sperm  and  oocytes.  These  piRNAs  can  target  retrotransposons in a similar manner as they do in Drosophila 26.  In Zebrafish, the two PIWI  homologs  Ziwi  and  Zili  were  also  characterized 27.  Loss  of  Ziwi  leads  to  germ  cell  loss,  an  increase  in  apoptosis  of  pre‐meiotic  cells  and  abnormal  sex  determination.  Similar  to  Ziwi,  expression of Zili is also specific to testis and ovary and Zili mutants are agametic. However,  the observed germ cell loss of is not caused by an increase in apoptosis but rather due to an  inability to differentiate, probably instigated by defects in meiosis.  

In mice, 3 Piwi‐like proteins have been identified, coded by 3 genes:  Miwi (or Piwi‐like  1),  Mili  (Piwi‐like  2)  and  Miwi2  (Piwi‐like  4) 28.  Interestingly,  mutations  in  any  of  these  3  mouse PIWI genes lead to degradation of only the male germline, whereas in Drosophila and  Zebrafish  both  the  female  and  the  male  germline  are  affected  after  PIWI  inactivation.  Mili  and Miwi2 mutants lead to the activation of retrotransposons in the male germline, arrest of  gametogenesis  and  complete  sterility  in  males 20,29,30.  Miwi2  mutants  showed  increased 

retrotransposon  expression  in  testes,  accompanied  by  decreased  DNA  methylation  machinery. Only Mili expression has been identified in PGCs, despite the mutants’ apparent  null  effect  in  female  germline.  This  gene  was  recently  proposed  to  mediate  DNA  repair  through  chromatic  relaxation  in  mice 31.  These  evidences,  together  with  the  implication  of  piRNA in de novo methylation of TE sequences during spermatogenesis 20, suggest that the  role of PIWI proteins and piRNAs extends beyond post‐transcriptional silencing.  

(19)

Sasaki and colleagues in 2003 identified a Piwi‐like gene in human cells 32 , Piwi‐like 3  (PIWIL3), which does not have a murine homolog, but is present in other mammals such as  cattle (Fig. 4).                  

PIWIL3’s  absence in  the rodent  genome jeopardizes the  identification  of  its function  by gene knockout technology. A proper model to study the functions of this Piwi‐like 3 gene  is  lacking  in  mammals,  however  the  bovine  reveals  an  easy  and  straightforward  model  to  approach this challenge. 

 

Disclosures in the PIWIL3 former research  

 

Some aspects of PIWIL3 protein were addressed recently in bovine oocytes which provided  new  understandings  into  the  function  of  this  protein  in  mammalian  germ  cells.  Bernard  Roelen’s lab developed a custom‐made rabbit‐anti‐PIWIL3 polyclonal antibody and one year  later  we  came  to  knowledge  that  it  was  not  recognizing  the  protein  (will  be  further  discussed).  Still,  a  piRNA‐like  population  is  present  in  bovine  oocytes  (Ketting  &  Roelen,  unpublished results) suggesting a unique function of PIWIL3 in oogenesis. 

Preliminary  results  identified  PIWIL3  mRNA  in  bovine  ovaries,  testes,  cumulus  cells  and  oocytes 33  and  also  in  bovine  oocytes  during  oocyte  maturation  but  not  during  pre‐ implantation  development  (Fig.  5,  A),  suggesting  a  protein  maternal  supply  already  documented in Drosophila 33,34. With the PIWIL3 custom‐made antibody, co‐localization with  the meiotic spindle was suggested, after GVBD stage (Fig. 5, B) which ultimately lead to the  hypothesis that PIWIL3 has a role in oocyte maturation, especially during meiosis. 

Figure  4 ‐  Homology  between

mammalian  PIWI  proteins.  Mm= Mus  musculus  (mouse),  Hs= Homo  sapiens  (human);  Bt=  Bos taurus  (cattle).  (Ketting,  R. Roelen, B., unpublished results). 

(20)

     

 

The sea urchin PIWI homolog Seawi presents a similar localization pattern 35 and it has  been  suggested  that  Seawi  associates  with  a  complex  of  microtubule‐associated  ribonucleoproteins  (MT‐RNP),  providing  a  route  for  the  spatial  segregation  of  factors  that  are  important to establish  morphogenetic  gradients. Also  in Xenopus oocytes,  Xiwi  protein  and  piRNAs  associate  with  microtubules  of  the  meiotic  spindle 26.  However  no  defects  in  spindle  assembly  were  detected  after  depletion  of  Xiwi,  suggesting  that  it  is  a  mere  passenger of the microtubule network.   

The idea of PIWIL3 localization in the spindle was an unexpected and interesting result  because no function of PIWI proteins in the meiotic spindle of mammalian oocytes had been  documented.  So  far,  Piwi‐like  3  seemed  to  have  a  particular  purpose,  especially  during  meiosis  and  we  could  speculate  about  the  possibility  of  the  protein  and  the  piRNA  being  maternally  accumulated,  suggesting  their  active  participation  in  the  transport  and  localization of mRNA.   

In  the  meantime,  whilst  studying  PIWIL3,  Transforming  Acidic  Coiled‐Coil  protein  3  (TACC3) was identified in metaphase II oocytes (will be further discussed).  Since the PIWIL3  results were compromised, we became interested in TACC3’s function during bovine oocyte  development.         

 

Figure 5 ‐ mRNA quantification of PIWIl3 and PIWIL3 expression pattern. (A): Relative mRNA expression levels of PIWIL3 during oocyte maturation and early embryo development. X‐axis: developmental stages. Y‐axis: relative PIWIL3 amounts normalized to the  reference  gene  SDHA.  Error  bars  represent  standard  deviation.  (B):  merge  channel  of  DAPI  and  Piwi‐like  3  protein  on  a metaphase II oocyte, with metaphase plate magnified. Scale bar = 20 μM 33 

(21)

Transforming Acidic Coiled‐Coil (TACC) Proteins 

 

While  trying  to  protect  the  genome  against  adversities  that  could  endanger  the  upcoming  generations, cell division is also one of the most important processes the cell needs to face.  In  order  to  accomplish  it,  the  spindle  needs  to  recruit  microtubule  fibers  that  are  tightly  regulated by a main microtubule‐organizing center (MTOC), the centrosome in animal cells 

36.  A  family  group  of  proteins  known  to  interact  with  centrosomal  activity  are  the  TACC 

proteins.  

TACC proteins were initially identified as a group of proteins implicated in cancer and  the first protein member was discovered whilst searching for amplified genomic regions in  breast cancer 37.  These highly acidic proteins have, in contrast to a very diverse N‐terminus,  a predicted coiled‐coil domain on its C‐terminus, known as the TACC domain, the signature  of  this  protein  family  that  is  thought  to  carry  most  of  the  functional  properties 38,39.    In  Drosophila, the TACC domain provides the protein its correct localization on the spindle 39,40.    Being present in different organisms such as Schizosaccharomyces pombe, Drosophila  melanogaster,  Caenorhabditis  elegans,  Xenopus  laevis  and  mammals,  TACC  proteins  have  different  names.  In  some  species  there  is  only  one  TACC  protein  such  as  in  Schizosaccharomyces  pombe  (Alp7  also  known  as  Mia1p),  Drosophila  melanogaster  (D‐ TACC), Caenorhabditis elegans (TAC‐1) and Xenopus laevis (Maskin or xTACC3). On the other  hand, mammals have three TACC proteins: TACC1, TACC2 (also known as AZU‐1 and ECTACC)  and TACC3 (also known as AINT and ERIC1)39,41–43. TACC1 and TACC2 protein are implicated  in breast cancer 37 while TACC3 is associated with multiple myeloma and several cancer lines  44,45 (http://www.proteinatlas.org/ENSG00000013810). TACC3 is expressed  in relatively few  adult tissues but it shows high levels in testis, ovary and in hematopoietic tissues. Together  with TACC3‐deficient mice displaying embryonic lethality, a reduced cell number and mitotic  defects, these data suggest an important role of TACC3 during early cell division 44,46,47. 

Concerning  the  three  mammalian  TACC  proteins,  its  expression  pattern  depends  on  the cell phase cycle. At the interphase stage, TACC2 associates with centrosomes  whereas  TACC1 and TACC3 are diffused both in the cytoplasm and in the nucleus, with TACC3 being  to  some  extent  concentrated  in  the  nucleus 38,39.  During  mitosis,  TACC1  and  TACC2  are  present  in  centrosomes  while  TACC3  is  present  in  a  more  diffuse  region  around  the  centrosomes 38,48. 

(22)

Besides  its centrosomal  localization, TACC proteins are also present on microtubules  during cell division 49. C. elegans’ TAC‐1 and X. laevis’ Maskin are present in the spindle and  Drosophila’s    D‐TACC  is  associated  with  both  spindle  and  astral  microtubules  (fibers  not  connected to kinetochores) (Fig. 6) 39.                            Regarding the protein’s role in the cell, all mutant phenotypes described to date seem  to indicate microtubule rearrangement and instability. In C. elegans, embryos without TAC‐1  exhibit  defects  in  pronuclear  migration  and  a  phenotype  of  both  shorter  and  defective  spindle in anaphase. However, despite the spindle‐positioning defects, embryos are still able  to assembly microtubules, suggesting that TAC‐1 protein is not required for its formation 41.   

Also  in  Drosophila  melanogaster,  mutants  in  D‐TACC  show  incomplete  pronuclear  separation 39. Most of the mutant embryos exhibit an arrest in the first mitotic division and  those  that  can  divide  have  abnormally  short  centrosomal  microtubules,  culminating  in  mitotic  defects  that  lead  to  embryo  lethality.  In  Xenopus,  Maskin  is  not  required  for  microtubule  stability  but  is  required  for  its  anchoring  to  the  centrosome.  In  embryos  depleted  with  Maskin  (xTACC3),  the  microtubule  content  was  reduced  in  size  and  number  and cells  exhibited  an  abnormal spindle (Fig.  7) 40,50,51. It was also demonstrated that RNAi  downregulation of TACC3 in HeLa cells leads to arrest at G1 checkpoint, prior to anaphase,  with  aberrant  spindle  morphology  and  severely  misaligned  chromosomes  40,52.  

Overexpression  studies  of  D‐TACC,  Maskin  and  TACC3  show  protein  accumulation  on  the  spindle poles leading also to an increase in microtubule length and number38.      C. elegans  TAC‐1 D. melanogaster D‐TACC X. laevis  Maskin H. sapiens  TACC3

Figure  6  ‐ Centrosome  and  spindle localization of TACC  proteins  in C. elegans, D.  melanogaster, X. laevis

and Human. The upper row shows, in the first three organisms, overlay images with microtubules in green, DNA  in  blue  and  the  corresponding  TACC  proteins  in  red.  The  lower  row  shows  the  distribution  of  each TACC protein alone49. H. sapiens column exhibits TACC protein in green and α‐tubulin in red, bar: 10 µm 48.  

(23)

                    The rationale is that flaws in kinetochore‐microtubule attachment can lead to spindle  checkpoint activation and TACC3 regulates chromosome alignment by ensuring both proper  kinetochore microtubule attachment and spindle assembly checkpoint. 53   

Phosphorylation and activation of TACC3 by Aurora‐A kinase 

 

Recruitment  of  TACC3  proteins  to  microtubules  is  regulated  by  Aurora‐A  kinase‐mediated  phosphorylation and this function appears to be conserved  in Human, Xenopus, C. elegans  and Drosophila 41,48,54–56.  

It has been proposed that Aurora‐A is vital during mitosis through phosphorylation of  a series of substrates that promote diverse critical events to maintain cell integrity 57. During  mitosis,  Aurora‐A  kinase  associates  with  centrosomes  and  spindle,  independently  of  microtubules  and  D‐TACC    and  mutations  of  Aurora‐A  lead  to  metaphase  arrest  and  decreased  length  of  astral  microtubules  as  well  as  prevention  of  D‐TACC  centrosomal  association 54,56.  Aurora A interacts with TACC3, phosphorylating it and allowing its targeting  to  centrosomes 55.  For  Xenopus  and  Human  TACC3,  the  exact  phosphorylation  sites  have  already been identified 40,48,55. Suppression of Aurora‐A by siRNA caused mitosis failure, with 

incorrect separation of centriole pairs,  chromosome misalignment on the metaphase plate  and  incomplete  cytokinesis.  Despite  spindle  abnormalities  and  unaligned  chromosomes,  some cells lacking functional Aurora‐A are still able to divide, however segregation defects in  anaphase  and  chromatin  bridges  further  develop  into  aneuploidies  or  tetraploidies  which  ultimately lead to cell death 57. 

Figure  7  ‐  Depletion  of  Xenopus’  TACC3  (xTACC3):  effects  on  the  spindle.  The  upper  row  shows  the  control

situation  and  the  lower  one  shows  abnormal  spindle  and  chromosome  abnormalities  in  result  if  xTACC3 depletion with RNAi40.  

(24)

Besides  TACC3  vital  interaction  with  Aurora‐A  kinase,  also  its  involvement  with  two  other  other  proteins,  ch‐TOG  and  clathrin,  is  essential  to  a  proper  complex  assembly  and  function.   

TACC3/ch‐TOG/clathrin complex stabilizes kinetochore  fibers by inter‐

microtubule bridging 

  In higher organisms, the chromosome’s kinetochores are attached to the spindle via parallel  microtubules,  named  kinetochore  fibers  (K‐fibres) 58.  The  microtubules  of  K‐fibers  are  connected  by  inter‐microtubule  bridges  that  are  thought  to  stabilize  the  fiber  during  chromosome movement 59.   

Clathrin  interacts  with  these  inter‐microtubule  bridges  in  order  to  stabilize  K‐fibers 

60,61.  Apart  from  being  involved  in  coating  vesicles  during  interphase,  during  cell  division  it 

seems  to  target  microtubule  spindles 62.  It  acts  as  part  of  a  complex  involving    two  other  proteins:  TACC3  and  Colonic‐Hepatic  Tumour  Overexpressed  Gene  (ch‐TOG),  forming  the  TACC3/ch‐TOG/clathrin  complex 61,63,64.    ch‐TOG,  or  XMAP215,  was  identified  as  having  an  essential  role  in  spindle  organization  in  Human  during  mitosis 65.  Recently,  clathrin  was  identified as a binding protein for TACC3, and ch‐TOG was found to be associated with both  clathrin  and  TACC3 66.  Depletion  of  clathrin,  ch‐TOG  or  TACC3  result  always  in  a  mitotic  defected  phenotype in  different species, suggesting  a consensus  interaction  across  species 

40,61,63,65.  

Additionally,  TACC3/ch‐TOG/clathrin  bridges  also  protect  the  fiber  from  microtubule  loss 67  and  promote  growth  by  antagonizing  the  mitotic  centromere‐associated  kinesin 

(MCAK) that promotes microtubule depolymerization 55,68.   

Despite  recent  progresses  in  TACC3  research  during  mitosis,  its  role  in  mammalian  meiosis is relatively unknown. In mouse oocytes, TACC3 was identified during meiotic oocyte  maturation  and  the  phosphorylated  form  of  TACC3  accumulated  from  GVBD  to  the  metaphase  II  arrest.  The  phosphorylated  protein  was  restricted  to  the  spindle  poles.  The  effect  of  TACC3  depletion  by  siRNA  was  (i)  inhibition  of  polar  body  extrusion  (ii)  arrested  meiosis I with spindle defects and (iii) lack of phosphorylated TACC3 labeling at the poles 69.  

   

(25)

TACC3/ch‐TOG/clathrin complex activation, two hypotheses  

 

The  correct  order  of  recruitment  of  these  three  proteins  to  the  complex  is  yet  unknown,  however two major ones were proposed during the last three years (Fig. 8).  

In  2010,  three  teams 40,63,66  claimed  that  clathrin  recruits  phosphorylated  TACC3  to  spindle poles (Fig. 8, A), however other findings point to a different direction. In 2011, Booth  et al. demonstrated that TACC3 and ch‐TOG bind to the spindle microtubules under Aurora‐ A regulation, followed by recruitment of clathrin to the microtubules forming complex with  TACC3 or TACC3/ch‐TOG subcomplex (Fig. 8, B). Furthermore, it was also proposed that the  complex is spindle‐specific 61.                                        According to Booth et al., clathrin cannot bind microtubules while maskin (TACC3) and  ch‐TOG  can,  therefore,  clathrin  would  require  an  additional  factor  to  bind  these  fibers,  however  no  such  factor  was  identified.  Also,  the  majority  of  clathrin  in  mitotic  cells  is  not  restricted to the spindle whereas TACC3 and ch‐TOG are predominantly spindle‐associated.  In agreement with Booth’s theory, (i) overexpression of GFP‐CHC (Clathrin Heavy Chain) did  not  cause more clathrin to accumulate at the  spindle and  did not influence TACC3  nor ch‐

Figure  8 ‐  Two  models representing  the  recruitment  of TACC3/ch‐TOG/clathrin complex to the  spindle.  (A)  Clathrin  recruits

TACC3:    Aurora‐A  kinase  activates

TACC3 by phosphorylating it in two sites  (Ser620  and  Ser626  in Xenopus)  and  enables  it  to  bind with  clathrin  to  form  the clathrin/TACC3  complex.  Finally, the  clathrin‐associated  TACC3  is targeted  to  spindle  poles  and spindle  microtubules  for  proper spindle  assembly.  Along  with TACC3,  ch‐TOG  also  targets  to spindles  to  regulate  spindle stability.  (B)  TACC3  recruits clathrin.    First,  TACC3  alone  or

complexed  with  ch‐TOG  is recruited  to  the  spindle microtubules in a phosphorylation‐ dependent  manner  regulated  by Aurora‐A.  Then,  clathrin  is recruited  to  the  spindle  by  TACC3 or  TACC3/ch‐TOG.  Finally,  clathrin forms  an  inter‐microtubule  bridge by  interacting  with  additional TACC3  or  TACC3/ch‐TOG  on adjacent  microtubules  to  stabilize the spindle microtubules. 89 

(26)

TOG spindle localization (ii) overexpressing TACC3 increased the spindle location of ch‐TOG  and clathrin and (iii) inhibiting TACC3 spindle recruitment via inhibition of Aurora‐A kinase or  TACC3 mutation inhibited recruitment of clathrin to the spindle. 

Taken  together,  recruitment  of  clathrin  and  TACC3  to  the  mitotic  spindle  remains  controversial, however in unanimity it is suggested that this complex stabilizes kinetochore  fibers  by  physically  bridging  between  adjacent  microtubules.    In  the  light  of  these  results,  TACC3  has  an  important  role  in  mitosis  as  a  controlled  adaptor  that  can  integrate  several  other  mitotic  proteins  into  a  complex  on  microtubules  which  holds  kinetochore  fibers  together. 

TACC3 function during mammalian meiosis has already been documented 69; however  its role during bovine oocyte development is still blurred. Besides having clear implication in  human cancer lines, understanding its role during cell‐division is crucial when the matter of  mammalian oocyte developmental competence is addressed. The aim of this project will be  to  get  insights  into  TACC3’s  function  during  meiosis  and  early  embryo  development  and  ultimately propose a model for TACC3/ch‐TOG/clathrin complex regulation and recruitment  in cattle, which may mimic the Human situation.  

(27)

 Material and methods 

 

Oocyte collection and in vitro maturation  

Bovine ovaries were obtained from a local slaughterhouse and transported in thermal flasks.  Excess  tissue  was  cut  off  and  the  ovaries  were  collected  in  flasks  containing  NaCl  at  30ºC  supplemented with penicillin/streptomycin (1ml/L). Cumulus oocyte complexes (COCs) were  removed  from  the  ovaries  by  suction  of  follicular  fluid  from  antral  follicles  ranging  2‐8mm  and  only  those  with  reasonable  cumulus  investment  were  selected  under  a  dissecting  microsope.  The  COCs  were  rinsed  with  medium  B  (Table  1)  to  avoid  agglomeration.  COCs  were transferred to 4‐well plates, each containing 500µL of maturation medium (Table 1) or  different  concentrations  of  the  inhibitor  MLN8054  (by  selleckchem®,  25  mM  in  DMSO)  in  maturation  medium.  Between  the  wells,  1mL  of  sterile  water  was  added  to  prevent  evaporation.  After  22‐24  H  of  incubation  at  39ºC  with  5%  CO2,  the  cultured  oocytes  were 

either selected for in‐vitro fertilization or fixed in 4% paraformaldehyde. 

 

In vitro fertilization and embryo culture 

 

A  straw  of  cryopreserved  bull  sperm  was  thawed  in  a  37ºC  waterbath  and  the  content  layered on a Percoll gradient  and  centrifuged  for 30 minutes at  700G. The sperm’s  correct 

Medium  Ingredients

MilliQ water, M199 with Earle's salts, HEPES and glutamine 

LAL water, M199 with Earle's salts and glutamine, NaHCO3 

PHE  Penicillamine, hypotaurine and epinephrine

Maturation  Medium C, Fetal Calf Serum, Pen/Strep, recombinant FSH 

Fertilization  LAL water, NaCl, KCl, NaHCO3, Na2HPO4, Na pyruvate, phenolred, CaCl2.2H2O, 

MgCl2.6H2O, Pen/Strep, BSA 

RD  MilliQ water NaCl, KCl, NaHCO3, Na2HPO4, Na Lactate, HEPES, phenolred, 

CaCl2.2H2O, MgCl2.6H2O, Na Pyruvate, Pen/Strep, BSA 

SOF A  LAL water, NaCL, KCl, KH2PO4, Na Lactate, MgSO4.7H2O, NaHCO3, CaCl2.2H2O, 

phenolred, Non‐essential aminoacid solution 

SOF B  LAL water, Pen/Strep, Na‐pyruvate, L‐glutamine, BSA 

SOF  8ml SOF A : 2ml SOF B

(28)

concentration  was  determined  by  sampling  a  small  volume  of  the  sperm  solution  and  counting the number of sperm heads in a Bürker Turk chamber. Taking into account which  bull  was  used,  the  dilution  factor  was  calculated  and  sperm  was  added  to  the  fertilization  medium  (Table  1).  The  COCs  and  sperm  were  incubated  for  22  hr  at  39ºC,  5%  CO2 after 

which the presumptive zygotes were stripped of cumulus cells by vortexing for 3 min in RD  medium  (Table  1).  Following  denudation,  the  presumptive  zygotes  were  transferred  to  a  new  4‐well  plate  with  Synthetic  Oviductal  Fluid  (SOF  medium,  Table  1)  and  incubated  at  39ºC, in a 5% CO2 and 7% O2 environment70.  At day 5 after culture, cleaved embryos were 

scored  and  transferred  to  fresh  SOF  medium  and  at  day  8,  embryo  development  was  determined.  

 

Immunocytochemistry 

Sections of  bovine testis, bovine ovaries  and human testis (provided  by University Medical  Center  Utrecht)  were  used.    To  de‐paraffinise  sections,  slides  were  immersed  2x5min  in  xylene and 2x5min in 100% ethanol followed by 20 min incubation in methanol‐3% H2O2 to 

block  endogenous  peroxidase  and  reduce  non‐specific  background  staining.  Samples  were  then  rehydrated  in  2  minutes  series  of  96/80/70%  ethanol,  rinsed  shortly  in  distilled  H2O.  

For  antigen  retrieval,  sodium‐citrate  buffer  (0.01M,  pH  6.0)  was  heated  until  boiling  point  and samples were boiled for 3 min. After a 30 min cool‐down, sections were washed in TBST  (0.05% Tween) for 2x5min, blocked with 5% NGS (Normal Goat Serum) in TBS for 30 minutes  at 37 ºC and left to incubate overnight with the first antibody (1:100) in  2% NGS in TBS at  room temperature.  The three samples were each stained with Human anti‐PIWIL3 antibody  (ab77088),  anti‐PIWIL3  antibody  (ab93709)  and  IgG  for  control  purposes  (Table  2).  On  the  second day, after washing in TBS (0.05 M, pH 7.6) on the shaking table, incubation with the  second  antibody  (1:200)  took  place  for  40  min  at  37ºC  followed  by  another  washing  step.  The samples were then incubated with ABC complex reagent (Vector elite kit 10µl A + 10µl B  + 980 µl TBS) for 30 min at RT (ABC made 30 min prior to use). Sections were then washed in  TBS,  incubated  with  DAB  (diaminobenzidinetetrahydrochloride,  mutagenic,  photosensitive)  in  TBS  for  5‐10  min  and  washed  again  in  distilled  H2O.  For  counterstaining,  slides  were 

stained with haematoxylin for 10 seconds and then washed thoroughly with H2O. Series of 

70/80/96% ethanol were executed (2x 10 sec each) followed by xylene (2x2min). Lastly, the  samples were embedded in DEPEX.  

(29)

  Anti‐PIWIL3  antibody  (ab77088)  Anti‐PIWIL3  antibody  (ab93709)  Anti‐TACC3  antibody  (ab56595)  Anti‐ PIWIL3  antibody*  (custom)  Anti‐ PIWIL1  antibody  (custom)  Anti‐ PIWIL2  antibody  (custom)  Description  Mouse  polyclonal to  PIWIL3  Rabbit  polyclonal to  PIWIL3  Mouse  monoclonal  to TACC3  Rabbit  polyclonal  to PIWIL3  Rabbit  polyclonal  to PIWIL1  Rabbit  polyclonal  to PIWIL2 

Host species  Mouse  Rabbit  Mouse  Rabbit  Rabbit  Rabbit 

Tested 

applications  WB  IHC‐P  WB, IHC‐P  ‐  ‐  ‐ 

Cross  Reactivity  Reacts with  Human  Reacts with  Human  Reacts with  Human  Reacts  with  bovine*  Reacts  with  bovine  Reacts  with  bovine  Positive  control  PIWIL3  transfected  293T cell lysate  Human  testis tissue.  ‐  ‐  ‐  ‐  Immunogen  Recombinant  full length  human PIWIL3  (NP_001008496,  aa 1‐882)  Synthetic  peptide  from  intermediate  residues of  Human  PIWIL3  100aa  recombinant  fragment  15aa long  fragment  15aa long  fragment  15aa long  fragment   

Immunofluorescence 

Oocytes were stripped of cumulus cells before staining and fixed for a minimum of 15 min in  4% paraformaldehyde (PFA). After fixation the oocytes were briefly washed with 0.1% Triton  X‐100 and 10% FCS in PBS (PBST) and permeabilized for 30 min using 0.5% Triton X‐100 and  PBST. The oocytes were subsequently blocked for 1h in PBST and incubated with the primary  antibody overnight at 4ºC.  For the immunofluorescence, all antibodies described in Table 2  were used. The oocytes were washed three times in PBST (15 min) followed by incubation in  the secondary antibody for 1 h in the dark. After several washes, the oocytes were stained  with  4',6‐diamidino‐2‐phenylindole  (DAPI,  5min)  and  mounted  on  a  slide  with  Vectashield  and isolated with Vaseline.  

For  α‐tubulin  staining  oocytes  were  incubated  first  for  30‐60  min  in  microtubule  stabilizing solution71 at 37 ºC and then fixed in 4% PFA. After fixation, oocytes were washed  in PBS with  0.1% (v/v) Tween‐20, incubated 5min in PBS with 2% (v/v) goat serum (Sigma‐ G6767)  followed  by  60  min  incubation  with  mouse‐anti‐tubulin  primary  antibody  at 37  ºC.  After washing, the oocytes were incubated in PBS + serum for 1 hour at 37 ºC, washed and 

Table 2 ‐ Detailed description of the antibodies used. The (*) regarding the bovine PIWIL3 symbolizes the predicted details on the

onset of this project. All the custom antibodies are thought not to be specific and further tests have to be done to address this question. 

(30)

incubated  with  the  second  antibody  for  1  h.  For  microfilament  staining,  an  additional  incubation  of  30  min  with  phalloidin  was  performed.  After  DNA  staining  with  DAPI,  the  oocytes were mounted as mentioned before.    Slides were examined with Leyca® Confocal laser microscopy. Images were analyzed  with ImageJ® software and Adobe Illustrator®. 

Western blotting 

  Cells were collected and frozen in ‐80ºC after which they were lysed with sample buffer 4x  diluted in RIPA buffer (table 3) and 1% protease inhibitor cocktail (table 3). Afterwards the  lysates were boiled at 100 ºC for 5 min and briefly centrifuged. The samples were resolved  by an SDS‐PAGE 8% running gel and 5% stacking gel (Table 3), while sponges, filter paper and  membrane were left for 10 min at 4 ºC in Blotting buffer. The proteins were then blotted on  nitrocellulose membranes (Trans‐Blot®, Bio‐Rad Laboratories) at 100V (±180mA) during 1H.  The membranes were incubated with blocking buffer (Table 3) for 1h under gentle shaking.  The membranes were incubated with mouse‐anti‐TACC3 (Table 2) diluted in blocking buffer  (1:1000) O/N at 4 ºC. After washing in TBS‐Tween (TBS with 0.05% Tween‐20) (3x5min) the  membranes  were  incubated  with  goat‐anti‐Mouse  (sc‐2005,  Santa  Cruz  Biotechnology  Inc)  (1:5000) for  1H  at RT; washed with TBS‐Tween and lastly with TBS. Finally the membranes  were  placed  between  a  plastic  sheet  under  the  SuperSignal®  Chemiluminescent  Substrate  (West  Dura  Extended  Duration  Substrate,  Thermo  scientific)  consisting  of  600µL  of  Horseradish peroxidase (HRP) and phosphatase (PO) (1:1).  The membrane was exposed to  X‐ray film (Fuji®) and the film was developed.  

After developing the film, the membrane was stripped in stripping buffer for 5 min at  RT  and  the  blot  was  incubated  for  1H  at  37  ºC   with  Goat‐anti‐β‐actin  (1:5000,  Santa  Cruz  Biotechnology®,  sc‐47778)  and  for  1H  at  RT  with  Rabbit‐anti‐Goat  (1:10000,  Santa  Cruz  Biotechnology®,sc‐2768) just as described above.                

(31)

 

 

Aurora‐A inhibition experiment  

 

Oocytes  were  matured  as  described  in  table  4  and  the  small  molecule  MLN8054  (Selleckchem®, dissolved in DMSO) was added to the medium with the purpose if inhibiting  Aurora‐A function 72.  MLN8054 stock (250 µM) and DMSO (2µl/200µl maturation medium)  were used to achieve a maturation medium with an increased drug concentration. Because  the  drug  was  dissolved  in  DMSO,  a  control  with  no  DMSO  neither  drug  (normal  IVM)  was  added.    

Different groups were used in different sets of experiments. When the percentage of  blastocyst  formation  was  evaluated,  it  was  scored  on  the  8th  day  of  maturation,  being  relative to the amount of embryos cleaved on day five. This percentage is thus referring to  the  blastocysts  that  were  both  properly  matured  and  fertilized,  providing  embryo  development information.         Buffers  Composition Running gel SDS‐ PAGE 8% gel (for  10ml)  4.6ml H2O; 2.7ml 30% acryl‐bisacrylamide mix; 2.5ml 1.5 M Tris (PH=8.8); 0.1ml  10% SDS, 0.1ml 10% ammonium persulfate; 0.008ml TEMED  Stocking gel 5% (for  10 ml)  6.8ml H2O; 1.7ml 30% acryl‐bisacrylamide mix; 1.25ml 1.5 M Tris (PH=8.8);  0.1ml 10% SDS, 0.1ml 10% ammonium persulfate; 0.01 TEMED  Blocking buffer  5% (w/v) non‐fat dry milk powder in TBS‐Tween  RIPA buffer  1% Nonidet P‐40, 0.5% sodium deoxycholate, 0.1% SDS, 0.004% sodium azide,  1% PMSF solution, 1% protease inhibitor solution, 1% sodium orthovanadate  solution in TBS (Santa Cruz Biotechnology, Santa Cruz, CA, USA)  Halt Protease  Inhibitor Cocktail  Protease and Phosphatase Inhibitor Cocktail (100X), EDTA Solution, 0.5M  (100X), 1mL 

Oocytes  Maturation medium MLN8054  DMSO 

Matured with 0 µM MLN8054 490 µl 0  10 µl Matured with 1.25 µM MLN8054 490 µl 2.5 µl  7.5 µl Matured with 2.5 µM MLN8054 490 µl 5 µl  5 µl Matured  with 5 µM MLN8054 490 µl 10 µl  0  Matured under normal IVM procedure 500 µl 0  0  Denuded and matured under normal IVM 500 µl 0  0  Denuded and matured with 2.5 µM MLN8054 490 µl 5 µl  5 µl Table 3 ‐ Detailed description of the Buffers used on the Western Blot.  Table 4 ‐ Experimental design for the MLN8054 experiment. Maturation medium was previously described in table 1. 

Imagem

Figure  3 ‐ Schematic  representation  of  siRNA‐guided  mRNA cleavage. The siRNA (yellow) binds with its 3’ end in the PAZ cleft and the 5’ is predicted to bind near the other end of the cleft. The mRNA  (brown)  comes  in  between  the  N‐terminal  and 
Figure  4 ‐  Homology  between mammalian  PIWI  proteins.  Mm=
Figure 7  ‐ Depletion of Xenopus’ TACC3 (xTACC3): effects  on the  spindle. The upper row shows  the control situation  and  the  lower  one  shows  abnormal  spindle  and  chromosome  abnormalities  in  result  if  xTACC3 depletion with RNAi 40 .  
Figure  8 ‐  Two  models representing  the  recruitment  of TACC3/ch‐TOG/clathrin complex to the  spindle.  (A)  Clathrin  recruits TACC3:   Aurora‐A kinase activates TACC3 by phosphorylating it in two sites  (Ser620  and  Ser626  in Xenopus)  and  enables
+7

Referências

Documentos relacionados

Sendo bem receptiva, a Diretora administrativa do IPHAEP foi bastante atenciosa e me citou as formas necessárias de procedimento - em contrapartida contei a ela sobre o projeto,

FEDORA is a network that gathers European philanthropists of opera and ballet, while federating opera houses and festivals, foundations, their friends associations and

Conclusão: Os fatores de risco e de proteção podem ser associados ou independentes entre si, de modo que para a redução das taxas de transmissão vertical devem ser realizadas

Para avaliar o efeito do tipo de explante (segmentos cotiledonares e segmentos nodais), respeitou-se o histórico do explante, ou seja, no subcultivo 1 foram usadas gemas

Neste sentido, a maior narrativa carioca é aquela que identifica nas praias uma espécie de democracia extremada, pois “reza a lenda da carioquice que a praia no Rio é um espaço

Relativamente ao projeto desenvolvido pelo autor, molde pré-fabricado de cofragem para escadas, este considera que, devido às poucas soluções no mercado da construção

AAbility to communicate is essential to life and supports social, emotional and educational development of children and young people; there is insufficient understanding of the

A análise dos dados permite concluir que tan- to os idosos ativos como os sedentários apresen- taram relatos de presença de dor equiparados em quantidade; contudo, entre os