ABSTRACT The transcriptional dynamic of mammalian cells when these transit from the ubiquitous mitotic to a meiotic specific program is key to understand this switch central to sexual reproduction. By quantifying active RNA polymerase II and nascent transcripts using single cell dataset and ethynyl-uridine pool-down with sorted cells from synchronised testes, we detailed the transcriptional activity of murine male germ cells. When spermatogonia differentiate, transcription slows down, reaching minimal activity at meiotic entry and resumes during pachytene stage. This event, we termed EMLT (for early meiotic low transcription), is distinct from the silencing of sex chromosomes as it is independent of Setdb1 though it is accompanied by the same chromatin mark, H3K9me3. EMLT is delayed in Stra8KO but occurs in mutants altering meiotic chromosome structure or DSB formation or repair. By comparing transcript abundance and neotranscription we unveil a massive event of mRNA stabilization that parallels EMLT. Altogether our data indicate that meiosis is initiated with a nearly silent genome and we propose that the stabilization of transcripts at that time facilitates the meiotic entry by synchronising the expression of several meiotic sub-programs.

Abstract Reproductive aging, characterized by a decline in female reproductive potential, is a significant biomedical challenge. A key factor in reproductive aging is the depletion of the ovarian reserve, the pool of primordial follicles in the ovary. Recent studies have implicated BEND2, a BEN domain-containing protein family member, in mammalian spermatogenesis. In the testis, Bend2 expresses two protein isoforms: full-length and truncated. Ablation of both proteins results in an arrested spermatogenesis. Because the Bend2 locus is on the X chromosome, and the Bend2 -/y mutants are sterile, Bend2 ’s role in oogenesis remained elusive. In this study, we employed a novel Bend2 mutation that completely blocks the expression of the full-length BEND2 protein but allows the expression of the truncated BEND2 isoform. However, this mutation does not confer male sterility, allowing us to investigate BEND2’s role in mice’s oocyte quality, follicular dynamics, and fertility. Our findings demonstrate that full-length BEND2 is dispensable for male fertility, and its ablation leads to impaired oocyte quality, reduced follicular formation, and an accelerated decline in fertility. These results reveal a critical role for BEND2 in oogenesis and provide insights into the mechanisms underlying reproductive aging. Furthermore, these findings hold relevance for the diagnostic landscape of human infertility.

Faithful chromosome segregation during meiosis I depends upon the formation of connections between homologous chromosomes. Crossovers between homologs connect the partners allowing them to attach to the meiotic spindle as a unit, such that they migrate away from one another at anaphase I. Homologous partners also become connected by pairing of their centromeres in meiotic prophase. This centromere pairing can promote proper segregation at anaphase I of partners that have failed to become joined by a crossover. Centromere pairing is mediated by synaptonemal complex (SC) proteins that persist at the centromere when the SC disassembles. Here, using mouse spermatocyte and yeast model systems, we tested the role of shugoshin in promoting meiotic centromere pairing by protecting centromeric synaptonemal components from disassembly. The results show that shugoshin protects centromeric SC in meiotic prophase and, in anaphase, promotes the proper segregation of partner chromosomes that are not linked by a crossover.

Meiotic recombination generates crossovers which are essential to ensure genome haploidization. The ubiquitin proteasome system regulates meiotic recombination through its association to the synaptonemal complex, a 'zipper'-like structure that holds homologs and provides the structural framework for meiotic recombination. Here we show that the testis-specific α4s subunit (PSMA8) of the spermatoproteasome is located at the synaptonemal complex and is essential for the assembly of its activator PA200. Accordingly, synapsis-deficient mice show delocalization of PSMA8 from the synaptonemal complex. Genetic analysis of Psma8-deficient mice show normal meiotic DNA repair, crossing over formation and an increase of spermatocytes at metaphase I and metaphase II which either enter into apoptosis or slip to give rise to an early spermatid arrest and infertility. Thus, spermatoproteasome-dependent histone degradation is dispensable for meiotic recombination. We show that PSMA8 deficiency alters the proteostasis of several key meiotic players such as acetylated histones, SYCP3, SYCP1, CDK1 and TRIP13 which in turn leads to an aberrant meiotic exit and early spermatid arrest prior to the histone displacement process that take place subsequently.

Meiotic reductional division is dependent on the synaptonemal complex (SC), a supramolecular protein assembly that mediates homologous chromosomes synapsis and promotes crossover formation. The mammalian SC is formed of eight structural components, including SYCE1, the only central element protein with known causative mutations in human infertility. We combine mouse genetics, cellular and biochemical studies to reveal that SYCE1 undergoes multivalent interactions with SC component SIX6OS1. The N-terminus of SIX6OS1 binds and disrupts SYCE1's core dimeric structure to form a 1:1 complex, whilst their downstream sequences provide a distinct second interface. These interfaces are separately disrupted by SYCE1 mutations associated with non-obstructive azoospermia and premature ovarian failure, respectively. Mice harbouring SYCE1's POF mutation and a targeted deletion within SIX6OS1's N-terminus are infertile with failure of chromosome synapsis. We conclude that both SYCE1-SIX6OS1 binding interfaces are essential for SC assembly, thus explaining how SYCE1's reported clinical mutations give rise to human infertility.

Primary Ovarian Insufficiency (POI) is a major cause of infertility, but its etiology remains poorly understood. Using whole-exome sequencing in a family with 3 cases of POI, we identified the candidate missense variant S167L in HSF2BP, an essential meiotic gene. Functional analysis of the HSF2BP-S167L variant in mouse, compared to a new HSF2BP knock-out mouse showed that it behaves as a hypomorphic allele. HSF2BP-S167L females show reduced fertility with small litter sizes. To obtain mechanistic insights, we identified C19ORF57/MIDAP as a strong interactor and stabilizer of HSF2BP by forming a higher-order macromolecular structure involving BRCA2, RAD51, RPA and PALB2. Meiocytes bearing the HSF2BP-S167L mutation showed a strongly decreased expression of both MIDAP and HSF2BP at the recombination nodules. Although HSF2BP-S167L does not affect heterodimerization between HSF2BP and MIDAP, it promotes a lower expression of both proteins and a less proficient activity in replacing RPA by the recombinases RAD51/DMC1, thus leading to a lower frequency of cross-overs. Our results provide insights into the molecular mechanism of two novel actors of meiosis underlying non-syndromic ovarian insufficiency.