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Mechanism of asymmetric PIE-1 segregation in C. elegans one-cell embryo

Anne Göppert

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Zentrum für Molekulare Biologie

Betreuer*in

Carrie Cowan

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DOI

10.25365/thesis.10073

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29916.45123.569862-7

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Die Zelldifferenzierungsdeterminante PIE-1 bestimmt die Entwicklung und Identität der Keimbahn-Stammzellen in C. elegans, in dem die Transkription der Stammzellen inhibiert wird. PIE-1 akkumuliert in den asymmetrischen Zellteilungen auf einer Seite des frühen Embryos. Dieser Prozeß ermöglicht, daß PIE-1 nur an die Keimbahnzellen weitergegeben wird. PIE-1 ist im Nukleus und in zytoplasmatischen mRNA–Protein–Komplexen – so genannten „P granules“ – zu finden. Das Vorhandensein des Proteins in diesen Zellkompartimenten scheint von seiner zytoplasmatischen Lokalisierung bestimmt zu werden. Das spezifische Lokalisierungsmuster von PIE-1 wird möglicherweise auf Proteinebene reguliert, da die Boten-RNA (mRNA) gleichmäßig in frühen Entwicklungsstadien des Embryos verteilt ist. Die Frage, wie PIE-1 spezifisch an die Keimbahnlinie weitergegeben wird, versuche ich mit einer Kombination aus Zeitrafferaufnahmen, optischen und genetischen Manipulationen zu beantworten. Ich konnte zeigen, daß PIE-1 einen expotentiellen Konzentrations¬gradient bildet, wobei sich höchste Proteinkonzentration – die Gradientenquelle – am posterioren Kortex befindet. Deren Proteinstabilität/-produktion hängt vom posterioren Polaritätsprotein PAR 1 ab. Der PIE-1–Gradient entsteht zum Zeitpunkt der beginnenden Polarisierung des Embryos und stabilisiert sich über die folgenden sechs Minuten. Der PIE-1–Gradient entsteht auch nach Verminderung der Proteinmenge, was auf einen diffusionsbasierenden Mechanismus schließen läßt. Jedoch verändert sich das Assoziationsverhalten von PIE-1 an „P granules“. Möglicherweise ist die cytoplasmatische Konzentration an PIE-1–Protein limitierend für diese Assoziation ist. Mit Hilfe der Analyse des PIE-1–Gradienten in Embryonen, in denen andere Keimbahn-Differenzierungsdeterminanten entfernt wurden, konnte ich einen Zusammenhang zwischen der Form des Gradienten, der Diffusionsgeschwindigkeit und der Bindung an „P granules“ fest stellen. Allerdings scheint die Assoziation von PIE-1 an „P granules“ nicht der einzige Mechanismus zu sein, der zur Stabilität des Gradienten beiträgt. Im Gegensatz zu den „P granules“ hat die nukleare Lokalisierung von PIE-1 nur einen geringfügigen Effekt auf die Stabilität des Gradienten. Ich konnte eine Hierarchie in der Binding von PIE 1 und MEX-1 an „P granules“ erkennen: Die Zelldifferenzierungsdeterminante MEX-1 wird für die PIE-1–Bindung an „P granules“ benötigt, was allerdings nicht auf die umgekehrte Situation zutrifft. Zusätzlich zur Lokalisierung an „P granules“ zeigt MEX-1 wie PIE-1 einen exponentiellen Konzentrationsgradient mit der höchsten Proteinkonzentration am posterioren Kortex. Zusammenfassend deuten meine Daten darauf hin, daß PIE-1 mittels eines vom posterioren Kortex ausgehenden, auf Diffusion basierenden Gradienten, ausschließlich an Zellen der Keimbahnline weitergegeben wird. Die von MEX-1 ermöglichte Bindung von PIE-1 and „P granules“ scheint zur Formierung des Gradienten eine entscheidende Rolle zu spielen.

Abstract

(Englisch)

The transcriptional repressor PIE-1 is a fate determinant essential for the correct development of germline stem cells in C. elegans. During the asymmetric cell divisions of early embryos, PIE-1 must be localised asymmetrically in order to be restricted to the germline lineage. PIE 1 functions in the nucleus and cytoplasmic RNA–protein aggregates called P granules. The localisation of PIE-1 to these compartments is thought to reflect its cytoplasmic localisation. PIE-1 mRNA is reported to be uniformly distributed in early embryos, suggesting that PIE-1 localisation is controlled at the protein level. Using a combination of time-lapse imaging, optical manipulations and genetics, I have investigated how PIE-1 is segregated to the germline lineage in one-cell embryos. I found that PIE-1 exhibits an exponential concentration gradient with its source at the posterior cortex. PIE-1 stability and/or production depend on the posterior cortical component PAR-1. The PIE-1 gradient is initiated at polarity establishment and stabilises over a period of approximately 6 minutes. Partial depletion of PIE-1 does not affect gradient shape, consistent with a diffusion-based mechanism, but affect P granule association suggesting that PIE-1 concentration may limit its aggregation. Analysis of the PIE-1 gradient in embryos depleted of other germline fate determinants showed a correlation between gradient shape, diffusion rates, and P-granule association. These results suggest that PIE-1’s association with P granules may contribute to gradient stability but this is unlikely to provide the sole mechanism of gradient formation. In contrast to P granules, the nuclear localisation of PIE-1 had only a negligible effect on the gradient. Time-lapse imaging of P granules (PGL-1) and the germline factor MEX-1 in embryos depleted of PIE-1 indicated a hierarchy in P granule localisation, such that MEX-1 is required for PIE-1 localisation to P granules but not vice-versa. In addition to its P granule localisation, MEX-1 exhibits an exponential concentration gradient from the posterior cortex similar to that of PIE 1, suggesting that using a concentration gradient might be a common mechanism for cytoplasmic asymmetry of germline factors. Thus, PIE-1 appears to be restricted to the future germline lineage by a diffusion-based gradient from the posterior cortex that is shaped by MEX-1-facilitated association with P granules.

Autor*innen

Anne Göppert

Haupttitel (Englisch)

Mechanism of asymmetric PIE-1 segregation in C. elegans one-cell embryo

Paralleltitel (Deutsch)

Mechanism der assymmetrischen Segregation von PIE-1 im einzelligen C. elegans-Embryo

Publikationsjahr

2010

Umfangsangabe

148 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Carrie Cowan ,

Verena Jantsch

Klassifikationen

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie ,

42 Biologie > 42.23 Entwicklungsbiologie

AC Nummer

AC08233496

Utheses ID

9096

Studienkennzahl

UA | 091 | 490 | |

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