Growth zone instability in T-shaped Schizosaccharomyces pombe cells [Elektronische Ressource] / presented by Ioannis Legouras

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• Biologie

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 10
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

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
Diplom-Biologe Ioannis Legouras
born in: Patra, Greece
Oral-examination: ..............................Growth zone instability in T-shaped
Schizosaccharomyces pombe cells
Supervisor:
Dr. Fran cois Nedelec
Referees:
Dr. Damian Brunner
Dr. Jochen WittbrodtContents
1 Introduction 5
1.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 The Cytoskeleton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 An introduction to Schizosaccharomyces pombe . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.1 History and General information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3.2 Establishment of polarity in S.pombe . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Microtubule-dependent growth in S.pombe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.1 MT plus-end tips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.2 Polarity machinery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4.3 Ectopic Growth Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.6 Methods for shape change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.7 Aim of Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2 Results 31
2.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2 Wild Type cells (WT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.1 Polarity in the presence or absence of MTs . . . . . . . . . . . . . 32
2.2.2 Polarity of T-shaped cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.3 Geometry - Growth - Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.4 Ge vs Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.5 MTs vs Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.6 Geometry vs MTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.7 Growth Maintenance - Growth Switch . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.8 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3 Tea1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.1 Polarity of T-shaped cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.2 Geometry - Growth - Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.3 Ge vs Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.4 MTs vs Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.5 Geometry vs MTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.6 Growth Maintenance - Growth Switch . . . . . . . . . . . . . . . . 53
32.3.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4 Tea4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4.1 Polarity of T-shaped cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4.2 Geometry - Growth - Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.4.3 Ge vs Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4.4 MTs vs Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4.5 Geometry vs MTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4.6 Growth Maintenance - Growth Switch . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.5 Mod5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.1 Polarity of T-shaped cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.2 Geometry - Growth - Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.5.3 Ge vs Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5.4 MTs vs Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5.5 Geometry vs MTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.5.6 Growth Maintenance - Growth Switch . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.5.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.6 Bud6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.6.1 Polarity of T-shaped cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.6.2 Geometry - Growth - Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.6.3 Ge vs Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.6.4 MTs vs Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.6.5 Geometry vs MTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.6.6 Growth Maintenance - Growth Switch . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.6.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3 Discussion 81
3.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2 Nuclear localization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.3 Growth dependencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.4 Growth switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4 Methods 87
4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.2 Cell Growing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3 Branching protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.1 Heterogeneity of branching e ciency . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.4 Strain preparations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5 Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5.1 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5.2 Confocal Spinning Disk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.5.3 Movie acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.6 Image processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.6.1 Cell Outlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 884.6.2 Cell Center - Cell Ends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.6.3 Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.6.4 Microtubules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.7 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.7.1 Box plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.7.2 Scatterplots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Bibliography 91
Acknowledgements 103
A List of strains 105
B Quanti cations 107
C Summarizing graphs 109Abstract
Morphogenesis is a complex process which in unicellular organisms involves mainly
polarized cell growth and cell division. Microtubules (MTs) are a key player in spatial
regulation of cytokinesis and polarization. The ssion yeast Schizosaccharomyces pombe
is a convenient model organism for morphogenesis studies because of its simple cylindrical
shape and its polarized growth at the cell tips. MT plus ends contact and shrink from
the cell tips and contribute to polarity regulation. There is a strong crosstalk between
MTs, actin and cell shape.
Here we perturb the cell shape and we investigate the e ects on MTs, nuclear position
and polarization machinery. We use the MT-depolymerizing drug thiabendazole (TBZ)
to depolymerize the interphase microtubules. MT depolymerization causes formation
of arms around the middle of the cell perpendicular to the long axis of the cell. The
organization of the MT cytoskeleton exhibits heterogeneity in these T-shaped cells and
depends on the cell geometry. We found that growth zones that were formed in the
absence of microtubules, have di erent properties compared to the old ends of the cell
and they exhibit an inherent instability, as measured by their growth potential. This
growth potential in the arm is proportional to the initial size and to the number of MTs
that reach the arm cortex. These e ects are Tea1p-Tea4p-Mod5p dependent but Bud6p
independent.
These studies provide a demonstration of how MTs in uence the growth potential
at cell ends in ssion yeast and begin to suggest a new model of growth zone instability.
MT interactions with the cortex are important not only for establishment but also for
maintenance of growth zones. These ndings highlight a previously hidden role of MTs
responsible for cell morphogenesis.2
Zusammenfassung
Morphogenese ist ein komplexer Prozess. In einzelligen Organismen basiert er haupts ach-
lich auf polarisiertem Zellwachstum und Zellteilung. Mikrotubuli (MTs) sind Schlussel-
faktoren in der aumlicr hen Regulierung von Zytokinese und Polarisierung. Die Spalthefe
Schizosaccharomyces pombe ist ein guter Modellorganismus fur die Studie der Morpho-
genese, aufgrund seiner einfachen zylindrischen Form und polarisiertem Zellwachstum an
den Zellspitzen. MT Plus-Enden beruhren die Zellspitzen, depolymerisieren dann und
spielen somit eine wichtige Rolle in der Regulierung von Polarit at. Ein enges Zusam-
menspiel zwischen MTs, Aktin und Zellform ist zu beobach