Untersuchungen zur Struktur und Funktion des Lampenbürsten-Y-Chromosoms in der Spermatogenese von Drosophila

Abstract

Incorporation studies with radioactive precursors have shown that the lampbrush-like loops of the Y-chromosome in the spermatocytes of Drosophila hydei contain axial DNA and actively synthesize RNA. Uridin-incorporation, at least in some of the loops, appears to be polarized. In most of the loops, the amount of the label increases with incubation time. Studies of the life cycle of spermatocytes indicate that labeled RNA is stored in the loops for about 20 to 30 hours, while the loops themselves persist for about 120 hours.

Following incubation with labeled amino-acids, an uptake of labeled proteins from the cytoplasm into the nucleus was observed. The labeled nuclear proteins apparently leave the nucleus within a few hours, without long-term binding to the Y-structures, for even a 40-hour-incubation does not result in preferentially labeled Y-structures. These data, along with data on the action of antimetabolites, suggest that the Y-structures are dynamic structures: Their form seems to be maintained by an equilibrium between the accumulation and outflow of matrix material surrounding the DNA axis. The possible role of the functional structures of the Y-chromosome for messenger utilization in the postmeiotic stages of spermiogenesis is discussed.

Zusammenfassung

• 1. Die Strukturdifferenzierungen des Y-Chromosoms in den primären Spermatocyten von Drosophila hydei enthalten nach histochemischen und autoradiographischen Befunden DNS. In bestimmten Bereichen der Y-Strukturen wird RNS synthetisiert. Sie entsprechen damit strukturell und funktionell den Schleifen von Amphibien-Lampenbürstenchromosomen.

• 2. In den Y-Strukturen wird neusynthetisierte RNS angereichert. Diese unterliegt einem Austausch innerhalb von 20 bis 30 Std, obgleich die Y-Strukturen über 120 Std hinweg unverändert bestehen. Vermutlich handelt es sich bei der angereicherten RNS um in situ synthetisiertes Material. Von der nicht-nukleolären RNS-Synthese in den Spermatocytenkernen entfällt etwa 50% auf die autosomale RNS-Synthese.

• 3. Eine Proteinsynthese ist in den Spermatocytenkernen autoradiographisch nicht nachweisbar, obwohl die Y-Strukturdifferenzierungen nach histochemischen Befunden überwiegend aus Proteinen bestehen.

  Nach Inkubation in markierten Aminosäuren kommt es aber zu einer Anreicherung markierter Proteine in den Spermatocytenkernen, die aus dem Nukleolus oder dem Cytoplasma stammen. Auch diese Proteine sind nur für einige Stunden im Kern vorhanden und werden nicht für längere Zeit in den Strukturdifferenzierungen des Y-Chromosoms angereichert. Da man auch nach Langzeitinkubationen bis zu 40 Std keine markierten Y-Strukturen findet, scheinen deren Proteine zum größten Teil nicht-stationär zu sein und einem ständigen Austausch zu unterliegen.

• 4. Aufgrund der Wirkung von Inhibitoren der RNS- und der Proteinsynthese, die zu einem Abbau und unter bestimmten Bedingungen zu einer Neubildung der Y-Strukturen führen, werden die Y-Strukturen als dynamische Strukturen interpretiert, deren Form durch ein Gleichgewicht zwischen dem Abfluß von Material und der Ansammlung neuer Strukturbestandteile aufrecht erhalten wird: Der strukturelle Bestand wird nicht allein durch die RNS-Synthese gewährleistet, auch ein ungestörter Proteinstoffwechsel ist Voraussetzung für die volle Ausbildung der Y-Strukturen.

• 5. Da eine RNS-Synthese nur bis zur Diakinese der I. Reifeteilung autoradiographisch nachweisbar ist, muß Information für die Spermiohistogenese im primären Spermatocytenstadium bereitgestellt werden. Wahrscheinlich liegt diese Information in Form stabiler „messenger“-RNS-Moleküle vor, da markierte RNS sich bis in junge Spermien verfolgen läßt und eine Proteinsynthese während der gesamten Spermiohistogenese abläuft. Die mögliche Bedeutung der Y-Strukturdifferenzierungen in den Spermatocytenkernen für diese Bereitstellung von Information wird diskutiert.