Detailansicht

A microscopic screen for mutations affecting synaptonemal complex formation in Budding yeast

Jean Mbogning

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Franz Klein

Volltext herunterladen
Volltext in Browser öffnen

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29672.87711.970870-2

Link zu u:search

(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Im meiotischen Zellzyklus folgen einer Runde DNA-Replikation zwei Runden Chromosomensegregation in denen zunächst in der ersten Zellteilung die zwei Paare homologer Schwesterzentromere von einander segregieren, währen die Schwesterzentromere in der zweiten Teilung separiert werden. Als Folge wird der Chromosomensatz halbiert und aus einer diploiden Zelle gehen vier Zellen mit einem nun haploiden Genom hervor, als Vorläufer der Gameten. Im Laufe der meiotischen Prophase 1 bildet sich eine meiosespezifische, hoch konservierten Struktur aus, der sogenannte Synaptonemale Komplex (SC), welcher die Axen gepaarter homologer Chromosomen verbindet. Der SC hat eine dreigliedrige proteinöse Struktur, bestehend aus zwei seitlichen axialen Elementen, verbunden durch eine zentrale Region, dem Transversalfilament. In den meisten Organismen, einschließlich der Hefe Saccharomyces cerevisiae weisen Mutanten, die an der Bildung eines normalen SC scheitern ebenfalls Defekte in der Bildung von „Crossovern“ zwischen den homologen Chromosomen auf, welche notwendig für die korrekte Aufteilung der Homologen während der ersten meiotischen Teilung sind (Börner et al, 2004). Über die molekularen Mechanismen der SC-Bildung besteht bisher nur sehr geringe Kenntnis. Mit dem Ziel jene Gene, welche für die Synapsis der Chromosomen in Saccharomyces cerevisiae erforderlich sind umfassend zu identifizieren, habe ich in einem systematischen Screen genomweit, unter Zuhilfenahme visuell-mikroskopischer Methoden, nach Mutationen gesucht, welche die Chromosomenmorphologie beeinträchtigen. Von den 4800 nicht essentiellen Genen, repräsentiert durch eine Gendeletionsbibliothek, habe ich 3630 in einem ersten Lauf analysiert. Nahezu 14.5% (524) der Gendeletionen beeinträchtigten Synapsis, oder führten zum Unvermögen das meiotische Programm in Gang zu setzen. Beinahe alle Mutanten von Genen – so denn analysiert –, die bereits zuvor als essentiell für meiotische Rekombination und SC-Bildung bekannt waren, konnten erneut identifiziert werden. Von den 524 gefundenen Mutanten mit ausgeprägtem Phenotyp waren 132 nicht in der Lage das meiotische Programm zu initiieren, 90 konnten keinen SC bilden, 102 waren ausschliesslich zu sehr kurzer Synapsis befähigt, und 200 konnten keinen vollständigen oder ausgedehnten SC bilden. Die identifizierten Gene sind breitgefächert vielen verschiedenen biologischer Prozessen zugeordnet, wie zum Beispiel der Zellatmung, dem RNA und DNA Metabolismus, dem Membranaufbau, oder der Meiose. Für eine genauere Charakterisierung wurden 30 der identifizierten Gene, einer breiten Auswahl unterschiedlicher Klassen, in einem reinen SK1 Stammhintergrund deletiert. Die resultierenden Mutanten wurden charakterisiert anhand ihrer Chromosomensynapsis in einer Zeitserie durch die Meiose, und ausgewählte Mutanten wurden zudem einer FACS-Analyse und einer physischen Rekombinationsmessung unterzogen. Nur eine dieser Mutanten (rim4∆) ist dabei überhaupt nicht in der Lage SCs zu bilden, wohingegen drei (ecm11∆, ymr196∆, und yor296∆) im wesentlichen keine vollständige Synapsis zustande bringen. Alle anderen Mutanten zeigen in SK1 vollständige Synapsis, jedoch entweder in zu wenigen Kernen, oder unter aberrantem Verlauf durch die verschiedenen Stadien der Synapsis. Nur vier Deletionen (irc4∆, hal5∆, rtc1∆, and ynl046∆) verhielten sich sehr ähnlich zum Wildtyp, wenn auch nicht völlig identisch. Ebenso habe ich zu der Charakterisierung 22 weiterer Mutanten beigetragen, welche zuvor in einem Pilot-Screen identifiziert wurden, durchgeführt in unserem Labor durch A. Woglar (Diplomarbeit, 2008). Rad6 und Bre1 werden für die Monoubiquitinierung von Histon H2B an Lysin 123 (K123) benötigt (Robzyk et al., 2000). Ich konnte zeigen, dass der Synapsisdefekt einer htb1-K123R htb2-K123R Doppelmutante, bre1∆ und rad6∆, oder lge1∆ ähnlich, jedoch nicht so ausgeprägt ist. Dies weist auf eine wesentliche Rolle von Histon H2B-K123 Ubiquitinierung für Synapsis hin, deutet aber auch zusätzliche Funktionen von Rad6/Bre1 an. Monoubiquitinierung von H2B-K123 ist wiederum notwendig für Trimenthylierung von Histon H3K4 durch COMPASS (Set1), beziehungsweise H3K79 durch Dot1 (Nakanishi et al., 2009). Interessanterweise führt die gemeinsame Eliminierung von SET1 und DOT1, welche auch H3K4 und H3K79 Trimethylierung eliminieren sollte, nicht zum Verlust von ausgedehnter Synapsis, obgleich es zu einer Verzögerung von ungefähr zwei Stunden kommt. Diese Beobachtungen legen nahe, dass H2B-K123 Monoubiquitinierung über einen anderen Weg als H3K4/K79 Trimethylierung an Synapsis beteiligt ist. Der PP4 Phosphatasekomplex (Pph3, Psy2 und Psy4) wirkt der Phosphorylierung zahlreicher Substrate der Checkpointkinasen ATM/ATR (Tel1/Mec1) entgegen, inklusive Histon H2A Serin 129 (S129), und erlaubt somit den Austritt aus dem Checkpointarrest nach erfolgter Reparatur von DNA-Schäden (Keogh et al, 2006). Wir haben für pph3∆ Defekte in der pre-meiotischen DNA Replikation, Synapsis, der Bildung von Crossovern, und den meiotischen Kernteilungen gefunden (Woglar A., Diplomarbeit; diese Arbeit), welche auch durch andere nachgewiesen wurden (Falk et al., 2010). Interessanterweise beobachteten wir, dass pch2∆ bezüglich Synapsis epistatisch über pph3∆ ist, und in pph3∆ Synapsis unter Überkompensierung wieder herstellt. Auch die Deletion von SWC2 erlaubt wieder ausgedehnte Synapsis in pph3∆ Mutanten. Dagegen bewirkt eine Deletion von MEK1 oder FPR3 die Suppression des Kernteilungsdefektes der pph3∆ Mutanten. Bemerkenswerterweise liessen sich in der Tripelmutante pph3∆ pch2∆ fpr3∆ die meiotischen Defekte der pph3_ Mutante praktisch vollständig aufheben. pph3∆ pch2∆ fpr3∆ durchläuft nahezu normal das meiotische Programm, hat Synapsis, und produziert lebensfähige Sporen. Wir schliessen daraus, dass Pch2 Chromosomensynapsis als Antwort auf ATM/ATR Checkpointkinasenaktivität verhindert, und dass PP4 die Funktion einnimmt dieses Checkpointsignal nach erfolgter DNA-Reparatur zu eliminieren um Pch2 zu inaktivieren und Synapsis zu erlauben. Wir legen damit nahe, dass es sich hierbei um ein funktionelles Modul handelt, welches Synapsis mit der Vervollständigung der DNA-Reparatur koordiniert. Fpr3 hingegen wirkt als Inhibitor auf einen anderen Antagonisten von ATM/ATR, PP1 (Glc7-Phosphatase), welche normalerweise erst kurz vor der Kernteilung aktiviert wird.

Abstract

(Englisch)

During the meiotic cell cycle, one round of DNA replication is followed by two rounds of chromosome segregation in which the two pairs of homologous sister centromeres segregate from each other during the first division while sister centromeres are partitioned in the second division. Hereby, the chromosome set of a diploid cell is reduced to half and four haploid cells are generated as precursors of gametes. A highly conserved meiosis-specific chromosomal structure called synaptonemal complex (SC) is formed during meiotic prophase I, connecting the axes of paired homologous chromosomes. The SC has a tripartite proteinaceous structure consisting of two axial elements connected by a central region called transverse filament. In most organisms including the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, mutants that fail to form mature SC are also defective in crossover formation between the homologous chromosomes, which is required for accurate segregation of the homologs during the first meiotic division (Börner et al, 2004). The molecular mechanism of SC formation is not understood very well. In order to identify a comprehensive set of genes required for chromosome synapsis, I have performed a systematic, genome-wide visual screen for mutations affecting chromosome morphology. Of the 4800 non-essential ORFs represented in the deletion library, I have analyzed 3630 in a primary round. Nearly 14.5% (524) of the deletions affected synapsis or were unable to induce the meiotic program. Nearly all mutants previously known to be essential for meiotic recombination and SC formation were re-identified, if analyzed. Of the 524 identified mutants with strong phenotypes, 132 were unable to initiate the meiotic program, 90 failed to undergo synapsis, 102 only underwent exclusively very short synapsis and 200 failed to form complete or nearly complete SC. The identified ORFs had been annotated with a wide variety of biological processes, such as respiration, RNA and DNA metabolism, membrane biology or meiosis. For closer characterization, a set of 30 identified ORFs from various classes were deleted in the SK1 strain background. The respective mutants were characterized for chromosome synapsis during a meiotic time course and selected mutants were subjected to FACS analysis and to physical recombination assays. Only one of these (rim4∆) is unable to synapse at all, whereas 3 (ecm11∆, ymr196∆, and yor296∆) show nearly no complete synapsis. All other ORFs, show complete synapsis in SK1, but either in too few nuclei, or they show an aberrant progression through the different stages of synapsis. Only 4 deletions behaved very similar to wild type (irc4∆, hal5∆, rtc1∆, ynl046∆), although not perfectly identical. I also contributed to the characterization of 22 mutants, which were previously identified in a pilot screen carried out in our lab by A. Woglar (master thesis 2008). Rad6 and Bre1 are required for the monoubiquitination of histone H2B at lysine 123 .(Robzyk et al., 2000). I showed that the synapsis defect in htb1-K123R, htb2-K123R double mutants is similar to, but not as rigorous as, in bre1∆ and rad6∆, or lge1 mutants. This indicates a major role of histone H2B-K123 ubiquitination in synapsis, but also hints at additional roles of Rad6/Bre1. H2B-K123 monoubiquitination is required for histone H3K4 and H3K79 trimethylation by COMPASS (Set1) and Dot1 (Nakanishi et al., 2009) respectively. Interestingly, elimination of both, SET1 and DOT1, which should eliminate H3K4 and H3K79 trimethylation, does not eliminate extensive synapsis, although it causes ca. a 2 hours delay. These observations suggest that H2B-K123 monoubiquitination may promote synapsis through an additional pathway, other than H3K4,K79 trimethylation. The PP4 phosphatase complex anatagonizes the phosphorylation of various targets by he checkpoint kinases ATM/ATR (Tel1/Mec1) including histone H2A-S129, enabling checkpoint recovery after DNA damage (Keogh et al, 2006). We found pph3∆ to be defective in pre-meiotic DNA replication, chromosome synapsis, crossover formation and nuclear division (Woglar A, master thesis; this work), observations also made by others (Falk et al., 2010). Interestingly, pch2∆ is epistatic to pph3∆ concerning synapsis, overcompensating the synapsis defect. Also deletion of SWC2 can restore extensive synapsis in pph3∆ mutants. In contrast deletion of MEK1 or of FPR3 suppressed the nuclear division defects of pph3∆ mutants. Interestingly, the triple mutant pph3∆, pch2∆, fpr3∆ progressed through meiosis almost normally, underwent synapsis and produced viable spores. We conclude, that Pch2 prevents synapsis in response to the ATM, ATR mediated checkpoint response, and that the role of PP4 is to downregulate that signal upon repair, to inactivate Pch2 and to allow synapsis. We propose that this constitutes a module to coordinate synapsis with completion of DSB repair. Fpr3 rather is an inhibitor of an alternative way to antagonize ATM/ATR, that is PP1 (Glc7-phosphatase), normally only activated shortly before the division.

Autor*innen

Jean Mbogning

Haupttitel (Englisch)

A microscopic screen for mutations affecting synaptonemal complex formation in Budding yeast

Paralleltitel (Deutsch)

Ein mikroskopischer Screen für Mutationen welche die Bildung des Synaptonemalen Komplex in der Bäckerhefe beeinflussen

Publikationsjahr

2011

Umfangsangabe

206 Bl. : Ill., zahlr. graph. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Verena Jantsch ,

Giora Simchen

Klassifikation

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie

AC Nummer

AC08935789

Utheses ID

15454

Studienkennzahl

UA | 091 | 441 | |

Detailansicht

Abstracts

Schlagwörter