精子クロマチン構造と生殖フィットネスは、マウスのプロタミン1の単一アミノ酸の置換によって変化します1

従来のドグマは、精子におけるプロタミンを介したDNA圧縮が、DNAとプロタミンのアルギニンが豊富なコアの間の静電的相互作用によって達成されると推測しています。系統解析により、種全体ではなく保存されていないいくつかの非アルギニン残基が明らかになります。これらの残基の重要性とその翻訳後の修飾はあまり理解されていません。ここでは、精子形成の初期にアセチル化され、精子に保持されているプロタミン1（P1）のげっ歯類特異的リジン残基であるK49の役割を調査しました。精子では、アラニン置換（P1（K49A））は、アルギニン置換（P1（K49R））によって救出されない精子の運動性と男性の出生率の欠陥を減少させます。Zygotesでは、P1（K49a）は、早産の雄核逆逆度、DNA複製の変化、および胚停止につながります。in vitroでは、P1（K49a）はプロタミンDNA結合を減少させ、DNA圧縮と逆逆運動を変化させます。したがって、P1アルギニンコアの外側の単一のアミノ酸置換は、タンパク質機能と発達転帰を大きく変化させるのに十分であり、プロタミン非アルギニン残基が生殖フィットネスに不可欠であることを示唆しています。

Conventional dogma presumes that protamine-mediated DNA compaction in sperm is achieved by electrostatic interactions between DNA and the arginine-rich core of protamines. Phylogenetic analysis reveals several non-arginine residues conserved within, but not across species. The significance of these residues and their post-translational modifications are poorly understood. Here, we investigated the role of K49, a rodent-specific lysine residue in protamine 1 (P1) that is acetylated early in spermiogenesis and retained in sperm. In sperm, alanine substitution (P1(K49A)) decreases sperm motility and male fertility-defects that are not rescued by arginine substitution (P1(K49R)). In zygotes, P1(K49A) leads to premature male pronuclear decompaction, altered DNA replication, and embryonic arrest. In vitro, P1(K49A) decreases protamine-DNA binding and alters DNA compaction and 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 for reproductive fitness.