Abstract Transition from mitosis to meiosis in cell division is a fundamental process of gametogenesis. This transition is thought to be largely controlled by the exchange of relative dominance between positive and negative regulation by the retinoic acid/Stra8 signal cascade and a non-canonical PRC1 (PRC1.6), respectively. We have previously demonstrated that germ cells have transcriptionally and/or post-translationally reduced levels of MAX, a component of PRC1.6, immediately prior to meiotic onset, leading to alleviation of the negative effect of PRC1.6 against meiotic onset. Here, we found that germ cells produced Mga variant mRNA bearing a premature termination codon (PTC) during meiosis as an additional mechanism to impede the function of PRC1.6. Our data indicated that spermatocytes and/or round spermatids produced an anomalous MGA protein lacking the bHLHZ domain from the variant mRNA and therefore functioned as a dominant negative regulator of PRC1.6 by exquisitely using their inefficient background of PTC-mediated nonsense-mediated mRNA decay. Thus, our data indicate that meiotic onset of male germ cells is controlled in a multi-layered manner in which both MAX and MGA, which constitute the core of PRC1.6 by their interaction, are at least used as targets to deteriorate the integrity of the complex to ensure initiation of meiosis. Significance Statement PRC1.6, a non-canonical PRC1, functions as a strong blocker of meiotic onset. Therefore, germ cells need to alleviate the function of the complex as a prerequisite for meiotic onset. The MGA/MAX heterodimer not only constitutes a core of PRC1.6, but also confers direct DNA-binding activity to the complex. We have previously demonstrated that germ cells reduce Max amounts prior to meiotic onset to inactivate PRC1.6. In this study, we explored the possibility of an additional molecular mechanism that promotes meiotic onset via impediment of PRC1.6 functions as a safeguard system. Here, we demonstrate that meiotic germ cells specifically generate variant Mga mRNA by alternative splicing, which leads to production of a dominant negative regulator of PRC1.6.

Spermatogenesis is a unidirectional differentiation process that generates haploid sperm, but how the gene expression program that directs this process is established is largely unknown. Here we determine the high-resolution 3D chromatin architecture of male germ cells during spermatogenesis and show that CTCF-mediated 3D chromatin predetermines the gene expression program required for spermatogenesis. In undifferentiated spermatogonia, CTCF-mediated chromatin contacts on autosomes pre-establish meiosis-specific super-enhancers (SE). These meiotic SE recruit the master transcription factor A-MYB in meiotic spermatocytes, which strengthens their 3D contacts and instructs a burst of meiotic gene expression. We also find that at the mitosis-to-meiosis transition, the germline-specific Polycomb protein SCML2 resolves chromatin loops that are specific to mitotic spermatogonia. Moreover, SCML2 and A-MYB establish the unique 3D chromatin organization of sex chromosomes during meiotic sex chromosome inactivation. We propose that CTCF-mediated 3D chromatin organization enforces epigenetic priming that directs unidirectional differentiation, thereby determining the cellular identity of the male germline.

H3K9 tri-methylation (H3K9me3) plays emerging roles in gene regulation, beyond its accumulation on pericentric constitutive heterochromatin. It remains a mystery why and how H3K9me3 undergoes dynamic regulation in male meiosis. Here, we identify a novel, critical regulator of H3K9 methylation and spermatogenic heterochromatin organization: the germline-specific protein ATF7IP2 (MCAF2). We show that, in male meiosis, ATF7IP2 amasses on autosomal and X pericentric heterochromatin, spreads through the entirety of the sex chromosomes, and accumulates on thousands of autosomal promoters and retrotransposon loci. On the sex chromosomes, which undergo meiotic sex chromosome inactivation (MSCI), the DNA damage response pathway recruits ATF7IP2 to X pericentric heterochromatin, where it facilitates the recruitment of SETDB1, a histone methyltransferase that catalyzes H3K9me3. In the absence of ATF7IP2, male germ cells are arrested in meiotic prophase I. Analyses of ATF7IP2-deficient meiosis reveal its essential roles in the maintenance of MSCI, suppression of retrotransposons, and global upregulation of autosomal genes. We propose that ATF7IP2 is a downstream effector of the DDR pathway in meiosis that coordinates the organization of heterochromatin and gene regulation through the spatial regulation of SETDB1-mediated H3K9me3 deposition.

Abstract The ovarian reserve defines female reproductive lifespan, which in humans spans decades due to the maintenance of meiotic arrest in non-growing oocytes (NGO) residing in primordial follicles. Unknown is how the chromatin state of NGOs is established to enable long-term maintenance of the ovarian reserve. Here, we show that a chromatin remodeler, CHD4, a member of the Nucleosome Remodeling and Deacetylase (NuRD) complex, establishes chromatin states required for formation and maintenance of the ovarian reserve. Conditional loss of CHD4 in perinatal mouse oocytes results in acute death of NGOs and depletion of the ovarian reserve. CHD4 establishes closed chromatin at regulatory elements of pro-apoptotic genes to prevent cell death and at specific genes required for meiotic prophase I to facilitate the transition from meiotic prophase I oocytes to meiotic arrested NGOs. In addition, CHD4 establishes closed chromatin at the regulatory elements of pro-apoptotic genes in male germ cells, allowing male germ cell survival. These results demonstrate a role for CHD4 in defining a chromatin state that ensures germ cell survival, thereby enabling the long-term maintenance of both female and male germ cells.

ABSTRACT The histopathological distinction of lung adenocarcinoma (LADC) subtypes is subject to high inter-observer variability, which can compromise the optimal assessment of the patient prognosis. Therefore, this study developed convolutional neural networks (CNNs) capable of distinguishing LADC subtypes and predicting disease-specific survival, according to the LADC tumour grades established recently by the International Association for the Study of Lung Cancer pathology committee. Consensus LADC ground truth histopathological images were obtained from seventeen expert pulmonary pathologists and one pathologist in training. Two deep learning models (AI-1 and AI-2) were trained with EfficientNet b3 architecture to predict eight different LADC classes (lepidic, acinar, papillary, micropapillary, solid, invasive mucinous adenocarcinoma, other carcinoma types, and no carcinoma cells). Furthermore, the trained models were tested on an independent cohort of 133 patients. The models achieved high precision, recall, and F1-scores exceeding 0.90 for most of the LADC classes. Clear stratification of the three LADC grades was reached in predicting the disease-specific survival by the two models. Moreover, the grading prediction of one of the trained models was more accurate than those of 14 out of 15 pulmonary pathologists involved in the study ( p =0.0003). Both trained models showed high stability in the segmentation of each pair of predicted grades with low variation in the hazard ratio across 200 bootstrapped samples. These findings indicate that the trained CNNs improve the diagnostic accuracy of the pathologist, standardise LADC subtype recognition, and refine LADC grade assessment. Thus, the trained models are promising tools that may assist in the routine evaluation of LADC subtypes and grades in clinical practice.