MAST4 regulates spermatogonial stem cell self-renewal controlling cell cycle via the FGF2/ERM pathway

Abstract

Spermatogenesis is an important cellular differentiation process through which the male gametes are produced, and it remains active throughout an individual’s lifespan. Sertoli cell-only syndrome (SCO), including infertility, refers to the dysfunction of the male reproductive system. The self-renewal of spermatogonial stem cells (SSCs) must be accurate to prevent SCO syndrome. This study investigated the role of microtubule-associated serine/threonine kinase family member 4 (MAST4) in spermatogenesis in mice. Results revealed that MAST4 was localized in Sertoli cells before puberty, providing a somatic niche for spermatogenesis in mice. The size of Mast4 knockout testes was reduced compared with that of wild-type testes, and germ cell depletion associated with an increase in apoptosis and subsequent loss of tubular structure were similar to the SCO phenotype. MAST4 phosphorylated the ETS-related molecule (ERM), specifically the serine 367 residue. ERM phosphorylation ultimately controlled the transcription of ERM target genes related to the self-renewal of SSCs. Mast4 deletion led to the decreased promyelocytic leukemia zinc finger (PLZF) expression and cell cycle progression in the testes. MAST4 also induced cyclin-dependent kinase 2 to phosphorylate PLZF, and the activated PLZF suppressed the transcriptional levels of genes related to cell cycle arrest; consequently, SSCs retained their stem cell state. Therefore, MAST4 is associated with the fibroblast growth factor 2 (FGF2)/ERM pathway, and this association helps us explore the ability of SSCs to maintain a vertebrate stem cell niche. 정자형성과정은 남성의 수명 전반에 걸쳐 배우자를 생성하고 활성 상태를 유지하는 중요한 세포 분화 과정이다. 세르톨리세포단독증후군은 불임을 포함한 남성 생식 기관의 기능 장애를 말하고, 이를 예방하려면 정원줄기세포의 정확한 자가재생이 필수적이다. 본 연구는 생쥐의 정자형성과정에서 MAST4의 역할에 대해 제시하였다. MAST4는 사춘기 이전 세르톨리세포에 발현되어 생쥐의 정자형성과정을 위한 미세환경을 제공했다. Mast4 녹아웃 정소는 야생형 정소에 비해 크기가 감소했으며, 세포사멸의 증가 및 그에 따른 정세관 구조의 손실과 관련된 생식세포의 고갈은 세르톨리세포단독증후군의 표현형과 유사했다. 기존에 세르톨리세포에 발현되는 ERM 단백질은 FGF2 신호전달경로에 의해 조절되어 정원줄기세포의 자가재생을 유도하였다. 본 연구에서 MAST4 또한 FGF2의 조절을 받으며 ERM의 세린 367 잔기를 인산화했다. ERM의 인산화는 궁극적으로 정원줄기세포의 자가재생과 관련된 ERM 타겟 유전자의 전사를 조절했다. Mast4 유전자의 결실은 정소에서 PLZF의 발현 및 정원줄기세포의 세포주기 진행을 감소시켰다. MAST4는 또한 CDK2를 유도하여 PLZF를 인산화시켰고, 활성화된 PLZF는 세포주기 정지와 관련된 유전자의 전사를 억제하여 정원줄기세포가 줄기세포 상태를 유지할 수 있도록 유도했다. 따라서 MAST4는 FGF2/ERM 신호전달경로와 연관되어 있으며 이 연관은 척추동물의 줄기세포 미세환경을 유지하는 정원줄기세포의 능력을 탐구하는 데 도움이 된다. 또한 MAST4를 통한 불임 예방과 다른 상피성 기관의 줄기세포 자가재생에도 중요한 역할을 할 것을 시사한다.