Недостаток белка GAGA у мутантов Trl вызывает массовую клеточную гибель в спермато- и оогенезе дрозофилы

Белок дрозофилы GAGA (GAF) является фактором эпигенетической регуляции транскрипции большой группы генов с широким разнообразием клеточных функций. GAF кодируется геном Trithorax-like (Trl), который экспрессируется в различных органах и тканях на всех стадиях онтогенеза дрозофилы. Мутации этого гена вызывают множественные нарушения развития. В предыдущих работах мы показали, что этот белок необходим для развития половой системы как самцов, так и самок дрозофилы. Снижение экспрессии гена Trl приводило ко множественным нарушениям спермато- и оогенеза. Одно из значительных нарушений было связано с массовой деградацией и потерей клеток зародышевого пути, что позволило предположить, что этот белок вовлечен в регуляцию клеточной гибели. В представленной работе мы провели более детальное цитологическое исследование, чтобы определить, какой тип гибели клеток зародышевого пути характерен для Trl-мутантов, и происходят ли нарушения или изменения этого процесса по сравнению с нормой. Полученные результаты показали, что недостаток белка GAF вызывает массовую гибель клеток зародышевого пути как у самок, так и самцов дрозофилы, но проявляется эта гибель в зависимости от пола по-разному. У самок, мутантных по гену Trl, фенотипически этот процесс не отличается от нормы и в гибнущих яйцевых камерах выявлены признаки апоптоза и аутофагии клеток зародышевого пути. У самцов, мутантных по гену Trl, в отличие от самок, не обнаружены признаки апоптоза. У самцов мутации Trl индуцируют массовую гибель клеток через аутофагию, что не характерно для сперматогенеза дрозофилы и не описано ранее ни в норме, ни у мутаций по другим генам. Таким образом, недостаток GAF у мутантов Trl приводит к усилению апоптотической и аутофагической гибели клеток зародышевого пути. Эктопическая клеточная гибель и атрофия зародышевой линии, вероятно, связаны с нарушением экспрессии генов-мишеней GAGAфактора, среди которых есть гены, регулирующие как апоптоз, так и аутофагию.

1. Baricheva E.M., Katokhin A.V., Perelygina L.M. Expression of Drosophila melanogaster gene encoding transcription factor GAGA is tissue-specific and temperature-dependent. FEBS Lett. 1997;414(2): 285-288. https://doi.org/10.1016/s0014-5793(97)01010-7.

2. Barth J.M., Szabad J., Hafen E., Köhler K. Autophagy in Drosophila ovaries is induced by starvation and is required for oogenesis. Cell Death Differ. 2011;18(6):915-924. https://doi.org/10.1038/cdd.2010.157.

3. Bayarmagnai B., Nicolay B.N., Islam A.B., Lopez-Bigas N., Frolov M.V. Drosophila GAGA factor is required for full activation of the dE2f1-Yki/Sd transcriptional program. Cell Cycle. 2012;11(22): 4191-4202. https://doi.org/10.4161/cc.22486.

4. Berger N., Dubreucq B. Evolution goes GAGA: GAGA binding proteins across kingdoms. Biochim. Biophys. Acta. 2012;1819(8):863- 868. https://doi.org/10.1016/j.bbagrm.2012.02.022.

5. Berry D.L, Baehrecke E.H. Growth arrest and autophagy are required for salivary gland cell degradation in Drosophila. Cell. 2007;131: 1137-1148. https://doi.org/10.1016/j.cell.2007.10.048.

6. Bhat K.M., Farkas G., Karch F., Gyurkovics H., Gausz J., Schedl P. The GAGA factor is required in the early Drosophila embryo not only for transcriptional regulation but also for nuclear division. Development. 1996;122;(4):1113-1124.

7. Bolobolova E.U., Dorogova N.V., Fedorova S.A. Major scenarios of genetically regulated cell death during oogenesis in Drosophila melanogaster. Russ. J. Genet. 2020;56:655-665. https://doi.org/10.1134/S1022795420060034.

8. Das G., Shravage B.V., Baehrecke E.H. Regulation and function of autophagy during cell survival and cell death. Cold Spring Harb. Perspect. Biol. 2012;4(6):a008813. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a008813.

9. Denton D., Aung-Htut M.T., Lorensuhewa N., Nicolson S., Zhu W., Mills K., Cakouros D., Bergmann A., Kumar S. UTX coordinates steroid hormone-mediated autophagy and cell death. Nat. Commun. 2013;4:2916. https://doi.org/10.1038/ncomms3916.

10. Denton D., Chang T.-K., Nicolson S., Shravage B., Simin R., Baehrecke E.H., Kumar S. Relationship between growth arrest and autophagy in midgut programmed cell death in Drosophila. Cell Death Differ. 2012;19:1299-1307. https://doi.org/10.1038/cdd.2012.43.

11. DeVorkin L., Gorski S.M. LysoTracker staining to aid in monitoring autophagy in Drosophila. Cold Spring Harb. Protoc. 2014;9:951- 958. https://doi.org/10.1101/pdb.prot080325.

12. Dorogova N.V., Fedorova E.V., Bolobolova E.U., Ogienko A.A., Baricheva E.M. GAGA protein is essential for male germ cell development in Drosophila. Genesis. 2014;52(8):738-751. https://doi.org/10.1002/dvg.22789.

13. Dorogova N.V., Khrushcheva A.S., Fedorova E.V., Ogienko A.A., Baricheva E.M. Role of GAGA factor in Drosophila primordial germ cell migration and gonad development. Ontogenez. 2016;47(1):40-48.

14. Dos-Santos N., Rubin T., Chalvet F., Gandille P., Cremazy F., Leroy J., Boissonneau E., Theodore L. Drosophila retinal pigment cell death is regulated in a position-dependent manner by a cell memory gene. Int. J. Dev. Biol. 2008;52(1):21-31. https://doi.org/10.1387/ijdb.072406nd.

15. Drummond-Barbosa D., Spradling A.C. Stem cells and their progeny respond to nutritional changes during Drosophila oogenesis. Dev. Biol. 2001;231:265-278. https://doi.org/10.1006/dbio.2000.0135.

16. Fabian L., Brill J.A. Drosophila spermiogenesis: Big things come from little packages. Spermatogenesis. 2012;2(3):197-212. https://doi.org/10.4161/spmg.21798.

17. Farkas G., Gausz J., Galloni M., Reuter G., Gyurkovics H., Karch F. The Trithorax-like gene encodes the Drosophila GAGA factor. Nature. 1994;371:806-808. https://doi.org/10.1038/371806a0.

18. Fedorova E.V., Dorogova N.V., Bolobolova E.U., Fedorova S.A., Karagodin D.A., Ogienko A.A., Khruscheva A.S., Baricheva E.M. GAGA protein is required for multiple aspects of Drosophila oogenesis and female fertility. Genesis. 2019;57(2):e23269. https://doi.org/10.1002/dvg.23269.

19. Fitzwalter B., Thorburn A. Recent insights into cell death and autophagy. FEBS J. 2015;282(22):4279-4288. https://doi.org/10.1111/febs.13515.

20. Fuller M.T. Spermatogenesis In: The development of Drosophila melanogaster. NY Cold Spring Harbor. Press, 1993;71-147.

21. Galluzzi L., Vitale I., Aaronson S.A., Abrams J.M., Adam D., Agostinis P., Alnemri E.S., Altucci L., Amelio I., Andrews D.W., …, Zakeri Z., Zhivotovsky B., Zitvogel L., Melino G., Kroemer G. Molecular mechanisms of cell death: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2018. Cell Death Differ. 2018; 25(3):486-541. https://doi.org/10.1038/s41418-017-0012-4.

22. Galluzzi L., Vitale I., Abrams J.M., Alnemri E.S., Baehrecke E.H., Blagosklonny M.V., Dawson T.M., Dawson V.L., El-Deiry W.S., Fulda S., Gottlieb E., Green D.R., Hengartner M.O., Kepp O., Knight R.A., Kumar S., Lipton S.A., Lu X., Madeo F., Malorni W., Mehlen P., Nuñez G., Peter M.E., Piacentini M., Rubinsztein D.C., Shi Y., Simon H.-U., Vandenabeele P., White E., Yuan J., Zhivotovsky B., Melino G., Kroemer G. Molecular definitions of cell death subroutines: recommendations of the Nomenclature Committee on Cell Death 2012. Cell Death Differ. 2012;19:107-120. https://doi.org/10.1038/cdd.2011.96.

23. Giorgi F., Deri P. Cell death in ovarian chambers of Drosophila melanogaster. J. Embryol. Exp. Morphol. 1976;35:521-533.

24. Glick D., Barth S., Macleod K.F. Autophagy: cellular and molecular mechanisms. J. Pathol. 2010;221(1):3-12. https://doi.org/10.1002/path.2697.

25. Granok H., Leibovitch B.A., Shaffer C.D., Elgin S.C.R. Gaga over GAGA factor. Curr. Biol. 1995;5:238-241. https://doi.org/10.1016/s0960-9822(95)00048-0.

26. Greenwood J., Gautier J. From oogenesis through gastrulation: developmental regulation of apoptosis. Semin. Cell Dev. Biol. 2005;16:215- 224. https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2004.12.002.

27. Hay B.A., Guo M. Caspase-dependent cell death in Drosophila. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2006;22:623-650. https://doi.org/10.1146/annurev.cellbio.21.012804.093845.

28. Hou Y.C., Chittaranjan S., Barbosa S.G., McСall K., Gorski S.M. Effector caspase Dcp-1 and IAP protein Bruce regulate starvation-induced autophagy during Drosophila melanogaster oogenesis. J. Cell Biol. 2008;182:1127-1139. https://doi.org/10.1083/jcb.200712091.

29. Jenkins V.K., Timmons A.K., McСall K. Diversity of cell death pathways: insight from the fly ovary. Trends Cell Biol. 2013;23(11):567- 574. https://doi.org/10.1016/j.tcb.2013.07.005.

30. Jeong E.B., Jeong S.S., Cho E., Kim E.Y. Makorin 1 is required for Drosophila oogenesis by regulating insulin/Tor signaling. PLoS One. 2019;14(4):e0215688. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0215688.

31. Karagodin D.A., Omelina E.S., Fedorova E.V., Baricheva E.M. Identification of functionally significant elements in the second intron of the Drosophila melanogaster Trithorax-like gene. Gene. 2013;520: 178-184. https://doi.org/10.1016/j.gene.2013.02.012.

32. Kihlmark M., Imreh G., Hallberg E. Sequential degradation of proteins from the nuclear envelope during apoptosis. J. Cell Sci. 2001; 114(Pt 20):3643-3653.

33. King R.C. Ovarian development in Drosophila melanogaster. New York: Academic Press Inc., 1970.

34. Kumar S. Caspase function in programmed cell death. Cell Death Differ. 2007;14(1):32-43. https://doi.org/10.1038/sj.cdd.4402060.

35. LaFever L., Feoktistov A., Hsu H.J., Drummond-Barbosa D. Specific roles of Target of rapamycin in the control of stem cells and their progeny in the Drosophila ovary. Development. 2010;137:2117- 2126. https://doi.org/10.1242/dev.050351.

36. Laws K.M., Drummond-Barbosa D. Control of germline stem cell lineages by diet and physiology. Results Probl. Cell Differ. 2017;59: 67-99. https://doi.org/10.1007/978-3-319-44820-6_3.

37. Levine B., Klionsky D.J. Development by self-digestion: molecular mechanisms and biological functions of autophagy. Dev. Cell. 2004; 6:463 477. https://doi.org/10.1016/s1534-5807(04)00099-1.

38. Matharu N.K., Hussain T., Sankaranarayanan R., Mishra R.K. Vertebrate homologue of Drosophila GAGA factor. J. Mol. Biol. 2010; 400:434-447. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2010.05.010.

39. McCall K. Eggs over easy: cell death in the Drosophila ovary. Dev. Biol. 2004;274(1):3-14. https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2004.07.017.

40. Napoletano F., Gibert B., Yacobi-Sharon K., Vincent S., Favrot C., Mehlen P., Girard V., Teil M., Chatelain G., Walter L., Arama E., Mollereau B. p53-dependent programmed necrosis controls germ cell homeostasis during spermatogenesis. PLoS Genet. 2017;13(9): e1007024. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1007024.

41. Noda N.N., Inagaki F. Mechanisms of autophagy Annu. Rev. Biophys. 2015;44:101-122. https://doi.org/10.1146/annurev-biophys-060414-034248.

42. Ogienko A.A., Fedorova S.A., Baricheva E.M. Basic aspects of ovarian development in Drosophila melanogaster. Russ. J. Genet. 2007; 43(10):1120-1134.

43. Ogienko A.A., Karagodin D.A., Fedorova S.A., Fedorova E.V., Lashina V.V., Baricheva E.M. Effect of hypomorphic mutation in Trithorax-like gene on Drosophila melanogaster oogenesis. Ontogenez. 2006;37(3):211-220.

44. Ogienko A.A., Karagodin D.A., Pavlova N.V., Fedorova S.A., Voloshina M.A., Baricheva E.M. Molecular and genetic description of a new hypomorphic mutation of Trithorax-like gene and analysis of its effect on Drosophila melanogaster oogenesis. Ontogenez. 2008; 39(2):134-142.

45. Omelina E.S., Baricheva E.M., Oshchepkov D.Y., Merkulova T.I. Analysis and recognition of the GAGA transcription factor binding sites in Drosophila genes. Comput. Biol. Chem. 2011;35(6):363-370. https://doi.org/10.1016/j.compbiolchem.2011.10.008.

46. Omichinski J.G., Pedone P.V., Felsenfeld G., Gronenborn A.M., Clore G.M. The solution structure of a specific GAGA factor-DNA complex reveals a modular binding mode. Nat. Struct. Biol. 1997;4: 122-132.

47. Peterson J.S., Timmons A.K., Mondragon A.A., McСall K. The end of the beginning: cell death in the germline. Curr. Top. Dev. Biol. 2015; 114:93-119. https://doi.org/10.1016/bs.ctdb.2015.07.025.

48. Pritchett T.L., McСall K. Role of the insulin/Tor signaling network in starvation-induced programmed cell death in Drosophila oogenesis. Cell Death Differ. 2012;19:1069-1079. https://doi.org/10.1038/cdd.2011.200.

49. Pritchett T.L., Tanner E.A., McСall K. Cracking open cell death in the Drosophila ovary. Apoptosis. 2009;14:969-979. https://doi.org/10.1007/s10495-009-0369-z.

50. Rodriguez A., Chen P., Oliver H., Abrams J.M. Unrestrained caspasedependent cell death caused by loss of Diap1 function requires the Drosophila Apaf-1 homolog, Dark. EMBO J. 2002;21:2189-2197. https://doi.org/10.1093/emboj/21.9.2189.

51. Roy S., Ernst J., Kharchenko P.V., Kheradpour P., Negre N., Eaton M.L., Landolin J.M., Bristow C.A., Ma L.J., Lin M.F., Kellis M. Identification of functional elements and regulatory circuits by Drosophila modENCODE. Science. 2010;330(6012):1787-1797. https://doi.org/10.1126/science.1198374.

52. Sarkissian T., Timmons A., Arya R., Abdelwahid E., White K. Detecting apoptosis in Drosophila tissues and cells. Methods. 2014;68: 89-96. https://doi.org/10.1016/j.ymeth.2014.02.033.

53. Schwedes C., Tulsiani S., Carney G.E. Ecdysone receptor expression and activity in adult Drosophila melanogaster. J. Insect Physiol. 2011;57(7):899-907. https://doi.org/10.1016/j.jinsphys.2011.03.027.

54. Soeller W.C., Oh C.E., Kornberg T.B. Isolation of cDNAs encoding the Drosophila GAGA transcription factor. Mol. Cell. Biol. 1993;13: 7961-7970. https://doi.org/10.1128/mcb.13.12.7961.

55. Spradling A.C. Developmental genetics of oogenesis. The development of Drosophila melanogaster. NY Cold Spring Harb. Lab. Press, 1993;1-70.

56. Swart Ch., Du Toit A., Loos B. Autophagy and the invisible line between life and death. Eur. J. Cell Biol. 2016;95(12):598-610. https://doi.org/10.1016/j.ejcb.2016.10.005.

57. van Steensel B., Delrow J., Bussemaker H.J. Genomewide analysis of Drosophila GAGA factor target genes reveals context-dependent DNA binding. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003;100(5):2580-2580. https://doi.org/10.1073/pnas.0438000100.

58. van Steensel B., Delrow J., Henikoff S. Supplementary information: Chromatin profiling using targeted DNA adenine methyltransferase. Nat. Genet. 2001;27(3):304-308. https://doi.org/10.1038/85871.

59. Wilkins R.C., Lis J.T. Dynamics of potentiation and activation: GAGA factor and its role in heat shock gene regulation. Nucleic Acids Res. 1997;25(20):3963-3968. https://doi.org/10.1093/nar/25.20.3963.

60. Xu D., Li Y., Arcaro M., Lackey M., Bergmann A. The CARD-carrying caspase Dronc is essential for most, but not all, developmental cell death in Drosophila. Development. 2005;132:2125-2134. https://doi.org/10.1242/dev.01790.

61. Yacobi-Sharon K., Namdar Y., Arama E. Alternative germ cell death pathway in Drosophila involves HtrA2/Omi, lysosomes, and a caspase-9 counterpart. Dev Cell. 2013;25:29-42. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2013.02.002.