Regulation of Progression through Unperturbed Mitosis and in the Presence of Environmental Stress

Titelangaben

Pandey, Rahul:
Regulation of Progression through Unperturbed Mitosis and in the Presence of Environmental Stress.
Bayreuth , 2007
( Dissertation, 2007 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

During mitosis, the replicated genome is distributed onto two daughter cells. Perfect regulation of progression through mitosis is essential for an error-free segregation and propagation of the genome. Surveillance pathways like the mitotic spindle checkpoint have evolved to prevent mitotic defects effectively. The molecular basis of these regulatory mechanisms is particularly well understood in budding yeast. It is not entirely clear to what extent these findings are valid for other eukaryotes as well. Therefore, in a first part, I have addressed the function of Drosophila Separase, a protease which has been implicated in several regulatory processes in budding yeast. Although an essential role of this protease for sister chromatid separation has been demonstrated in a wide range of eukaryotes, its involvement in additional processes still remains controversial. In budding yeast, separase promotes rapid exit from mitosis in a dedicated regulatory network known as FEAR. In Drosophila, a FEAR-like role could not be confirmed. Similarly, an essential involvement in the duplication of centrosomes, which form the poles of mitotic spindles in metazoan cells and are highly divergent from the functionally equivalent fungal spindle pole bodies, could not be demonstrated. In a second part I have analyzed the importance of surveillance mechanisms (in particular the mitotic spindle checkpoint) for progression through mitosis in the presence of environmental stress like anoxia and hypothermia. So far, the interaction of environmental stress with mitotic regulation has been largely neglected. However, oxygen deprivation leads to a rapid and reversible mitotic arrest. Here, anoxia is shown to have rapid effects on spindle and kinetochore function which are proposed to cause the observed efficient activation of the mitotic spindle checkpoint. Moreover, the consequences of anoxia were found to be very similar to those caused by inhibitors of oxidative phosphorylation. This suggests that the reduction in ATP levels is responsible for metaphase arrest in anoxia. Interestingly, the mitotic spindle checkpoint was also found to be important for survival in hypothermia, and the early syncytial stages which are characterized by an extremely rapid progression through mitotic cycles, were found to be the most cold-sensitive stages of Drosophila embryogenesis.

Abstract in weiterer Sprache

Während der Mitose wird das replizierte Genom auf zwei Tochterzellen verteilt. Eine sorgfältige Regulation der verschiedenen mitotischen Prozesse ist von grösster Wichtigkeit für die fehlerfreie Verteilung und Weitergabe des Genoms. In der Evolution sind Überwachungsmechanismen entstanden, wie zum Beispiel der sogenannte Spindel-Kontrollpunkt, die Fehler während der Mitose weitgehend verhindern. Die molekularen Mechanismen dieser mitotischen Regulationsprozesse werden in der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae besonders gut verstanden. Inwieweit diese Ergebnisse auch auf andere Eukaryoten übertragen werden können, ist jedoch noch nicht endgültig geklärt. In einem ersten Teil wurde daher die funktionelle Charakterisierung von Separase in Drosophila melanogaster weitergeführt. Dieser Protease wurden in der Bäckerhefe verschiedene Funktionen zugeschrieben. Die essentielle Bedeutung der Separase für die Trennung der Schwesterchromatiden am Übergang von der Meta- in die Anaphase ist in diversen Eukaryoten eindeutig gezeigt worden. In der Bäckerhefe wirkt Separase jedoch auch in einem regulatorischen Netzwerk (FEAR), das den Austritt aus der Mitose beschleunigt. Meine Untersuchungen ergaben keine Hinweise auf eine FEAR-artige Separase-Funktion in D. melanogaster. Da Centrosomen, die in tierischen Zellen die Pole mitotischer Teilungsspindeln ausbilden, strukturell völlig verschieden sind von den funktionell äquivalenten Spindelpolkörpern der Hefe, wurde auch die Bedeutung von Separase bei der Centrosomen-Verdoppelung studiert. Es ergaben sich keine Hinweise auf eine wichtige Rolle. Im zweiten Teil wurde die Bedeutung von Überwachungsmechanismen (insbesondere des Spindel-Kontrollpunktes) beim Ablauf von Mitosen unter Umweltstress (Anoxie und Hypothermie) untersucht. Bis anhin sind Interaktionen zwischen mitotischer Regulation und Umweltstress erstaunlicherweise kaum studiert worden. Sauerstoff-Deprivation verursacht jedoch zumindest in Invertebarten einen reversiblen mitotischen Arrest. Es konnte gezeigt werden, dass Sauerstoffentzug schnelle Veränderungen in Spindeln und Kinetochoren erwirkt und somit vermutlich auch die beobachtete Aktivierung des Spindelkontrollpunktes. Außerdem erwiesen sich die Konsequenzen von Anoxie auf mitotische Prozesse als nicht unterscheidbar von Effekten von Inhibitoren der oxidativen Phosphorylierung. Der mitotische Arrest infolge von Anoxie wird daher vermutlich durch ein Absinken der ATP-Konzentration verursacht. Interessanterweise konnte gezeigt werden, dass der Spindelkontrollpunkt auch für das Überleben von Hypothermie wichtig ist, und die frühen syncytialen Stadien, in denen besonders schnelle mitotische Zyklen ablaufen, erwiesen sich als die kälteemfindlichsten der gesamten Embryonalentwicklung.