How kinetochore proteins control the length of - ETH E
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How kinetochore proteins control the length of - ETH E
DISS. ETH NO. 22049 How kinetochore proteins control the length of the human mitotic spindle A thesis submitted to attain the degree of DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH (Dr. sc. ETH Zurich) presented by MICHELLE GERALDINE MEIER Master of Science UZH in Biologie Molekular- und Zellbiologie University of Zurich, Switzerland born on 08.02.1983 citizen of Steinmaur, ZH, Switzerland accepted on the recommendation of Prof. Dr. Matthias Peter Prof. Dr. Patrick Meraldi Prof. Dr. René Medema 2014 chapter 1 Summary The ultimate goal of mitosis is the proper distribution of the duplicated genetic material into the two daughter cells. As mitosis is a succession of interacting, intertwined processes, it is tightly controlled by the spindle assembly checkpoint to ensure the achievement of this aim. In the first phase of mitosis, prophase, the spindle apparatus forms by nucleating microtubules from the poles while the genetic material starts to condense and the nuclear envelope breaks down. In collaboration with motor proteins, the spindle poles reach opposing positions within the cell in prometaphase. Due to the nuclear envelope breakdown, the microtubules are able to contact the sister chromatids on specific, multiproteinous structures known as kinetochores. The kinetochores are translating the forces exerted by the microtubules on the sister chromatids resulting in the alignment of the genetic material on the metaphase plate located on equator of the spindle apparatus. In last stage, the cell progresses into anaphase resulting in the separation of the sister chromatids. During mitotic progression the spindle shows phase-characteristic lengths whereupon three different stages can be distinguished. In the first phase, the spindle increases the interpolar distance until it reaches a steady-state length in metaphase in the second stage. The last period is dominated by a further elongation in spindle length resulting in a separation of the sister chromatids in anaphase. The steady-state metaphase spindle length reaches a cell type-characteristic, species-specific size. However, the biological significance and the molecular processes maintaining this evolutionary conserved steady-state are poorly understood. The currently accepted force-balance model, describes a set of three main forces, counteracting each other and thus governing the metaphase spindle length: microtubule dynamics, the activity of motor proteins and a tensile element called elastic spring. The passive inward directed force of the elastic spring is measured by the extent of the centromeric stretch respectively centromeric tension. The elastic spring was reported to be affected by the depletion or loss of one of the major kinetochore protein assemblies, the MIS12 complex, and thus causing elongated metaphase spindle lengths in yeast, in Drosophila or in human cells. My high-resolution kinetochore-tracking assay measuring the centromeric tensions in living cells revealed that the centromeric stretch is functional and intact upon depletion of the MIS12 complex. This result suggested that the elongated spindle length is not caused by an affected integrity of the interchromatic region. Rather my results reveal that loss of the Mis12 complex leads to a collapse of the kinetochore structure that affects the activity of the protein kinase Aurora B. Moreover, I found that Mis12 complex depletion leads to a severe reduction in the levels of the microtubule depolymerase Kif2A at spindle poles, a condition that per se is sufficient to elongate the spindle. Inhibition of Aurora B restores normal spindle length and Kif2A levels at spindle poles, suggesting that Mis12 affects spindle length via Aurora B and Kif2A, revealing an elaborate communication between kinetochores and spindle poles. We propose that the affected kinetochore structure is modifying the influence range of the centromeric located Aurora B kinase and thus changes the amount of phosphorylated Aurora B kinase targets. 3 Zusammenfassung Das Ziel der Mitose ist die gleichmässige Verteilung des duplizierten genetischen Materials in die zwei Tochterzellen. Dieser Vorgang besteht aus interagierenden, ineinander greifenden Prozessen, deren korrekter Ablauf durch den mitotischen Kontrollpunkt, den Spindle Assembly Checkpoint, streng kontrolliert wird und gewährleistet, dass das Ziel der Mitose erreicht wird. In der ersten Phase der Mitose, der Prophase, entsteht der Spindel-Apparat durch den Aufbau von Mikrotubuli an den Polen. Währenddessen kondensiert das genetische Material und die Kernhülle wird abgebaut. Mithilfe von mit Motorproteinen nehmen die Spindelpole innerhalb der Zelle gegenüberliebende Positionen während der Prophase ein. Der Abbau der Kernhülle ermöglicht den Mikrotubuli mit den Schwesterchromatiden über spezifische Multiprotein- Strukturen, allgemein bekannt als Kinetochoren, Kontakt aufzunehmen. Die Kinetochoren übertragen die von den Mikrotubuli ausgeübten Kräfte auf die Schwesterchromatiden, was in einer auf der Metaphase-Platte am Äquator des Spindel-Apparates ausgerichteten Anordnung des genetischen Materials resultiert. In der letzten Etappe der Mitose erreicht die Zelle die Anaphase, während der die Schwesterchromatide separiert werden. Während des Verlaufs der Mitose weist die Spindel phasen-charakteristische Längen auf, welche drei verschiedenen Stadien zugeordnet werden können. Das erste Stadium ist durch eine Vergrösserung der interpolaren Distanz gekennzeichnet. In der Metaphase, der zweiten Phase, wird ein temporäres Gleichgewichts-Stadium betreffend der Länge erreicht. Die letzte Phase zeichnet sich durch eine weitere Verlängerung der Spindel aus, was zur Trennung der Schwesterchromatiden in der Anaphase führt. Die Gleichgewichtslänge der Spindel in der Metaphase erreicht eine zelltyp-charakteristische, spezies-spezifische Grösse. Jedoch ist die biologische Signifikanz und die molekularen Prozesse, welche dieses evolutionär konservierte Gleichgewicht aufrecht erhalten, nur schlecht verstanden. Das gegenwärtig gängige Kräfte-Balance Modell beschreibt drei Hauptkräfte, welche entgegengesetzt zu einander wirken und dadurch die Metaphasen-Spindellänge beeinflussen: die Dynamik der Microtubuli, die Aktivität von Motorproteinen und ein dehnbares Element, welches als „elastische Feder“ bekannt ist. Die passiv nach innen gerichtete Kraft der elastischen Feder wird anhand des Ausmasses der Dehnung der centromerischen Region respektive der centromerischen Spannung ermittelt. Einige Publikationen zeigten auf, dass die elastische Feder durch die Depletion oder den Verlust von einem der Hauptkinetochor-Aggregate, des MIS12 Komplexes, betroffen ist und als Konsequenz eine vergrösserte Metaphasen- Spindellänge in Hefe, in Drosophila oder in der menschlichen Zelle hervorruft. Durch meine hochauflösende Kinetochor-Tracking-Methode, welche die centromerischen Spannungen in lebenden Zellen erfasst, konnte ich zeigen, dass die centromerische Elastizität auch bei einer Depletion des MIS12 Komplex funktional und intakt bleibt. Dieses Resultat deutet darauf hin, dass die vergrösserte Spindellänge nicht durch eine beeinträchtigte Integrität der interchromatischen Region hervorgerufen wird. Stattdessen machen meine Resultate deutlich, dass der Verlust des MIS12 Komplexes zu einem Kollaps der Kinetochorstruktur führt, welcher die Aktivität der Proteinkinase Aurora B beeinflusst. Des Weiteren konnte ich zeigen, dass die MIS12 Komplex-Depletion zu einer starken Reduktion des Mikrotubuli-Depolymerase Kif2A Levels an den Spindelpolen führt – eine Begebenheit welche per se schon genügend ist, die Spindel zu verlängern. Die Aurora B- Inhibierung stellt die normale Spindellänge über Aurora B und Kif2A wieder her, was eine raffinierte 4 Kommunikation zwischen Kinetochoren und Spindelpolen suggeriert. Wir stellen deshalb die Hypothese auf, dass die beeinträchtigte Kinetochorstruktur die Reichweite des Einflusses der centromerisch-lokalisierten Aurora B Kinase modifziert und daher die Anzahl der phosphorylierten Aurora B Kinase- Ziele verändert. 5