Abstract Life begins with a switch in genetic control from the maternal to the embryonic genome during zygotic genome activation (ZGA) in totipotent embryos. Despite its importance, the essential regulators of ZGA remain largely unknown in mammals. Based on de novo motif searches, we identified the orphan nuclear receptor Nr5a2 as a key activator of major ZGA in mouse embryos. Nr5a2 binds to its motif within a subtype of SINE B1/Alu transposable elements found in cis -regulatory regions of ZGA genes. Chemical inhibition suggests that 72% of ZGA genes are regulated by Nr5a2 and potentially other orphan nuclear family receptors. Consistent with a role in ZGA, Nr5a2 is required for progression beyond the 2-cell stage. Nr5a2 promotes chromatin accessibility during ZGA and binds to entry/exit sites of nucleosomal DNA in vitro . We conclude that Nr5a2 is an essential pioneer factor that distinctly regulates totipotency and pluripotency during mammalian development. One-Sentence Summary Nr5a2 is an essential pioneer transcription factor that activates expression of zygotic genes in mouse embryos.

Meiosis, a reductional cell division, relies on precise initiation, maturation, and resolution of crossovers (COs) during prophase I to ensure the accurate segregation of homologous chromosomes during metaphase I. This process is regulated by the interplay of RING-E3 ligases such as RNF212 and HEI10 in mammals. In this study, we functionally characterized a recently identified RING-E3 ligase, RNF212B. RNF212B colocalizes and interacts with RNF212, forming foci along chromosomes from zygonema onward in a synapsis-dependent and DSB-independent manner. These consolidate into larger foci at maturing COs, colocalizing with HEI10, CNTD1, and MLH1 by late pachynema. Genetically, RNF212B foci formation depends on Rnf212 but not on Msh4 , Hei10, and Cntd1 , while the unloading of RNF212B at the end of pachynema is dependent on Hei10 and Cntd1 . Mice lacking RNF212B, or expressing an inactive RNF212B protein, exhibit modest synapsis defects, a reduction in the localization of pro-CO factors (MSH4, TEX11, RPA, MZIP2) and absence of late CO-intermediates (MLH1). This loss of most COs by diakinesis results in mostly univalent chromosomes. Double mutants for Rnf212b and Rnf212 exhibit an identical phenotype to that of Rnf212b single mutants, while double heterozygous demonstrate a dosage-dependent reduction in CO number, indicating a functional interplay between paralogs. SUMOylome analysis of testes from Rnf212b mutants and pull-down analysis of Sumo- and Ubiquitin-tagged HeLa cells, suggest that RNF212B is an E3-ligase with Ubiquitin activity, serving as a crucial factor for CO maturation. Thus, RNF212 and RNF212B play vital, yet overlapping roles, in ensuring CO homeostasis through their distinct E3 ligase activities.

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.

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.

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 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.