Summary Chromatin-based mechanisms regulating developmental transitions during meiosis are fundamental but understudied aspects of male gametogenesis. Indeed, chromatin undergoes extensive remodeling during meiosis, leading to specific patterns of gene expression and chromosome organization, which ultimately controls fundamental meiotic processes such as recombination and homologous chromo-some associations. Recent game-changing advances have been made by analysis of chromatin binding sites of meiotic specific proteins genome-wide in mouse spermatocytes. However, further progress is still highly dependent on the reliable isolation of sufficient quantities of spermatocytes at specific stages of prophase I. Here, we describe a combination of methodologies adapted for rapid and reliable isolation of synchronized fixed mouse spermatocytes. We show that chromatin isolated from these cells can be used to study chromatin binding sites by ChIP-seq. High quality data we obtained from INO80 ChIP-seq in zygotene cells was used for functional analysis of chromatin binding sites.

Testis development and sustained germ cell production in adults rely on the establishment of spermatogonia stem cells and their proper differentiation into mature gametes. Control of these processes involves not only promoting the expression of genes required for cell survival and differentiation but also repressing other cell fates. This level of transcriptional control requires chromatin-remodeling complexes that restrict or promote transcription machinery. Here, we investigated the roles of the NUcleosome Remodeling and Deacetylase (NURD) complex during spermatogenesis. Our cellular and biochemical analyses revealed differential expression and composition of NURD subunits in gametocytes at different stages of testis development. Germ cell-specific deletion of the NURD catalytic component CHD4, but not CHD3, resulted in arrested early gamete development due to failed cell survival of the undifferentiated spermatogonia stem cell population. Genome-wide CHD4 chromatin localization and transcriptomic analyses revealed that CHD4 binds the promoters and regulates the expression of genes involved in spermatogonia cell survival and differentiation. These results uncover the requirements of CHD4 in mammalian gonad development, and point to unique roles for the NURD complex with respect to other chromatin remodelers during gamete development.Significance Statement Gametogenesis is a fundamental developmental program required for sustained fertility and survival of all sexually reproducing species. The developing male gamete undergoes numerous cell divisions and developmental stage transitions that are carefully monitored by epigenetic mechanisms. One prominent mechanism is directed by chromatin remodeling complexes, which modify chromatin structure and thereby control fundamental cellular processes such as gene transcription. In this work, we focused in understanding the role of CHD4 and CHD3 proteins, catalytic subunits of the NURD chromatin-remodeling complex, in mouse gametogenesis. We find that CHD4 has an essential function in gametogenesis, with an absolute requirement for survival of spermatogonia populations in the developing testis. This is accompanied by CHD4-mediated transcriptional regulation of genes important for spermatogonia survival, and differentiation.

Males produce millions of spermatozoa each day, which are originated from spermatogonia. Spermatogonia niche establishment and maintenance and the subsequent haploidization of spermatocytes in meiosis are hallmarks of this process. The function of the individual players and coordinated mechanisms regulating different stages of gametogenesis in mammals are not well understood. In this work we focused on the role of PSMC3 in mouse gametogenesis. We observed that Psmc3 is highly expressed in mouse testis, and it is widely expressed in different stages of gamete formation. Conditional deletion of Psmc3 results in both male and female impairment of gonad development at early pre-meiotic stages, but has no apparent effect on meiosis progression. This is likely a consequence of abnormal spermatogonia niche establishment and/or maintenance, revealed by a massive loss of undifferentiated spermatogonia. Our work defines a fundamental role of PSMC3 functions in spermatogenesis during spermatogonia development with direct implications in fertility.