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A closer look at Schizosaccharomyces pombe interphase microtubule arrays [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Hélio Roque

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161 pages
INAUGURAL – DISSERTATION zur Erlangung der Doktorwürde der Naturwissenschaftlich-Mathematischen Gesamtfakultät der Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg vorgelegt von Hélio Roque Tag der mündlichen Prüfung: DISSERTATION Submitted to the Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany for the degree of Doctor of Natural Sciences presented by Hélio Roque Date of oral examination: A closer look at Schizosaccharomyces pombe interphase microtubule arrays Referees: Damian Brunner David Robinson Summary Determination of cell shape is an essential mechanism for cells like neurons, epithelial and fungal. In general, these cells are able to control their shape by positioning mechanisms that regulate cell growth and cell polarity. One key element for such a process is the microtubule cytoskeleton, which is organized into higher order assemblies in polarized cells. Therefore, an important question is to understand how these assemblies are established and maintained during interphase. We addressed this question by making use of mutants of the fission yeast Schizosaccharomyces pombe to study the organization of Interphase Microtubule Assemblies in high ultra-structural detail, using a new emerging technology – electron tomography.
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INAUGURAL – DISSERTATION




zur
Erlangung der Doktorwürde
der
Naturwissenschaftlich-Mathematischen Gesamtfakultät
der Ruprecht-Karls-Universität
Heidelberg



vorgelegt von
Hélio Roque







Tag der mündlichen Prüfung:



DISSERTATION




Submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences



presented by
Hélio Roque







Date of oral examination:




A closer look at
Schizosaccharomyces pombe
interphase microtubule arrays














Referees: Damian Brunner
David Robinson

Summary
Determination of cell shape is an essential mechanism for cells like neurons,
epithelial and fungal. In general, these cells are able to control their shape by
positioning mechanisms that regulate cell growth and cell polarity. One key element
for such a process is the microtubule cytoskeleton, which is organized into higher
order assemblies in polarized cells. Therefore, an important question is to
understand how these assemblies are established and maintained during interphase.
We addressed this question by making use of mutants of the fission yeast
Schizosaccharomyces pombe to study the organization of Interphase Microtubule
Assemblies in high ultra-structural detail, using a new emerging technology –
electron tomography. Mto1p, Ase1p and Klp2p are key Microtubule Associated
Proteins required for the organization of microtubules into interphase microtubule
arrays (IMAs). We reconstructed high resolution 3D volumes of mto1, ase1 and
klp2 deletion strains (and all double mutants) in order to study the formation and
organization of IMAs.
We show that all mutants lacking ase1 maintain microtubule overlap regions
but with altered inter-microtubule spacing. In addition, in ase1∆ klp2 ∆ cells the
microtubules appear to have lost their connection to the spindle pole body.
Interphase microtubule arrays in klp2∆ cells are mostly composed of only two
microtubules instead of 2 to 9 in wild type. A similar phenotype is found in cells
lacking Mto1p protein and cells lacking Mto1p and Klp2p proteins. Cells lacking
Ase1p and Mto1p proteins form an interphase microtubule arrays composed of
three microtubules, which extend the whole cell length. Both mto1Δ and mto1 Δ
ase1Δ cells present intra-nuclear microtubules but with a different organization.
Finally, we show that impaired interphase microtubule arrays affect the
mitochondria network structure in these deletion strains.
The electron tomography analysis of the Ase1p deletion strains suggest the
existence of other putative proteins involved in the microtubule bundling process.
We show that most microtubules ends in mto1Δ cells have open end structures
allowing microtubules to show treadmilling behavior. Furthermore, cells lacking
Mto1p and/or Klp2 show IMAs with only two MTs, suggesting a role of Klp2p in
microtubule nucleation. We propose a mechanistic model to tentatively explain the
formation of stable IMAs. Finally we discussed the effects of defective IMAs at the
cellular level by showing how the mitochondria network is affected in the deletion
mutants compared with wild type cells.
Zusammenfassung
Die Bestimmung der Zellform ist ein entscheidender Mechanismus für viele
Zellen wie zum Beispiel Neurone, Epithel und Pilzzellen. Im Allgemeinen sind
diese Zellen in der Lage, ihre Form zu kontrollieren, indem sie die Position der
Mechanismen von Zellwachstum und Zellpolarität steuern. Hierbei spielt das
Microtubuli Zytoskelett eine wichtige Rolle. Dieses ist in polarisierten Zellen in
Zusammenschlüsse höherer Ordung organisiert. Es ist deshalb von zentraler
Bedeutung zu verstehen, wie diese Zusammenschlüsse während der Interphase
gebildet und aufrechterhalten werden. Wir haben uns mit dieser Frage befasst,
indem wir die “Interphase Mikrotubuli Zusammenschlüsse” (IMAs) in
verschiedenen Mutanten der Spalt-Hefe, Schizosaccharomyces pombe genauer
untersuchten. Hierbei verwendeten wir eine der modernsten Technologien für die
Darstellung ultrastruktureller Details, die Elektronentomographie. Mto1p, Ase1p
und Klp2p sind wichtige “Microtubuli Assoziierte Proteine” (MAPs) welche für
den Zusammenschluss von Microtubuli in IMAs benötigt werden. Wir
rekonstruierten hoch auflösende 3D Volumina von Hefezellen welche kein Mto1p,
Ase1p oder Klp2p Protein besitzen, sowie alle möglichen Variationen dieser
Doppelmutanten.
Wir zeigen, dass Zellen welche kein Ase1p besitzen zwar noch überlappende
microtubuli Regionen haben, jedoch einen veränderten inter-microtubuli Abstand
aufweisen. Des Weiteren scheinen die microtubuli von Zellen, welche weder Ase1p
noch Klp2p besitzen ihre Verbindung zum Spindelpolkörper (SPB) verloren zu
haben. Die IMAs von Zellen ohne Klp2p bestehen meistens nur aus zwei- anstelle
von zwei bis neun microtubuli im Wildtypen. Ein ähnlicher Phänotyp zeigte sich
auch in mto1 mutierten Zellen und in der mto1, klp2 Doppelmutante. Die mto1,
ase1 Doppelmutante bildete IMAs welche aus drei microtubuli bestanden, die sich
interessanter Weise über die gesamte Zell-Länge erstreckten. Sowohl mto1- als
auch mto1, ase1 mutierte Zellen besitzen intra-nukleare microtubuli welche eine
besondere Organisation besitzen. Des Weiteren zeigen wir, dass die von wild
typischen Zellen abweichenden IMA Strukturen in den oben genannten Mutanten
das Mitochondriennetzwerk beeinflussen.
Die elektronentomographische Analyse der ase1 mutierten Zellen zeigt, dass
die IMAs immer noch überlappende microtubuli Regionen besitzen, jedoch einen
veränderten inter-microtubuli Abstand aufweisen. Diese Beobachtungen weisen auf
die Existenz weiterer Proteine hin, die für den Bündelungsprozess von microtubuli
mitverantwortlich sind. Wir zeigen, dass die meisten microtubuli in mto1 mutierten
Zellen offene Endstrukturen besitzen. Diese offenen Endstrukturen können zum
sogenannten “Treadmilling” von microtubuli führen, bei welchem hinten Tubulin
ab- und vorne angebaut wird. Ausserdem weist die Tatsache, dass die IMAs von
Zellen ohne Mto1p und/oder Klp2p nur zwei microtubuli besitzen darauf hin, dass
Klp2 am Bildungsprozess neuer microtubuli beteiligt ist. Wir präsentieren ein
Modell in dem wir versuchen die Bildung stabiler IMAs zu erklären. Abschließend
wird der Effekt der vom Wildtypen abweichenden IMA Strukturen auf das
Mitochondriennetzwerk diskutiert.

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