Summary Conventional dogma presumes that protamine-mediated DNA compaction in sperm is achieved by passive electrostatics between DNA and the arginine-rich core of protamines. However, phylogenetic analysis reveals several non-arginine residues that are conserved within, but not across, species. The functional significance of these residues or post-translational modifications are poorly understood. Here, we investigated the functional role of K49, a rodent-specific lysine residue in mouse protamine 1 (P1) that is acetylated early in spermiogenesis and retained in sperm. In vivo , an alanine substitution (P1 K49A) results in ectopic histone retention, decreased sperm motility, decreased male fertility, and in zygotes, premature P1 removal from paternal chromatin. In vitro , the P1 K49A substitution decreases protamine-DNA binding and alters DNA compaction/decompaction kinetics. Hence, a single amino acid substitution outside the P1 arginine core is sufficient to profoundly alter protein function and developmental outcomes, suggesting that protamine non-arginine residues are essential to ensure reproductive fitness.

SUMMARY Adaptive immunity and the five vertebrate NF-κB/Rel family members first appeared in cartilaginous fish, suggesting that divergence and specialization within the NF-κB family helped facilitate the evolution of adaptive immunity. One specialized function of the NF-κB c-Rel protein in macrophages is the activation of Il12b , which encodes a key regulator of T-cell development. We found that c-Rel is a far more potent regulator of Il12b than of any other inducible genes in macrophages, with c-Rel regulation of Il12b dependent on its heightened intrinsic DNA-binding affinity. c-Rel homodimers regulate Il12b transcription in part via motifs with little resemblance to canonical NF-κB motifs. ChIP-seq experiments further defined distinct c-Rel DNA-binding preferences genome-wide, and X-ray crystallography of a c-Rel/RelA chimeric protein identified key amino acid changes that support the unique c-Rel properties. Unexpectedly, these changes, along with the c-Rel/RelA binding affinity differences, were largely restricted to mammalian species. Together, our findings reveal how a transcription factor family member can undergo a structural transition at a late stage of vertebrate evolution, resulting in an increased intrinsic DNA binding affinity and with clear functional consequences, presumably to support the increasing complexity of immune regulation.

Summary The CENP-A histone variant epigenetically defines centromeres, where its levels and locations are precisely maintained through mitotic cell divisions. However, differences in centromere CENP-A propagation in soma versus female/male germline remains poorly understood. Here, we generated C enpa mScarlet mice and followed CENP-A dynamics in gametes, zygotes, and embryos. We found that, unlike somatic cells, progenitor female and male germ cells carry high centromeric CENP-A levels that decrease upon terminal differentiation. The reduction in CENP-A is differentially regulated between sexes, resulting in a ten-fold higher level in oocytes compared to sperm. In the zygote, the parent-of-origin CENP-A asymmetry is equalized prior to initial S-phase by redistribution of nuclear CENP-A from maternal to paternal chromosomes. Redistribution of CENP-A requires both CDK1/2 and PLK1 centromeric machinery. These experiments provide direct evidence for resetting of epigenetically imprinted centromeres in early pronuclear stage embryos and imply a mechanism to sense the non-equivalency of parental chromosomes. Highlights Increased CENP-A density at centromeres is a conserved property of germline stem cells while CENP-A reduction is coincident with germ cell differentiation Paternal and maternal CENP-A containing nucleosomes are intergenerationally inherited CENP-A density at centromeres differs between male and female mature gametes Upon fertilization, maternal nuclear CENP-A is redistributed to equalize with parental CENP-A CENP-C and MIS18BP1 are asymmetrically enriched in the parental pronuclei in accordance with CENP-A asymmetry. Licensing for centromere equalization begins before zygotic DNA replication