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We expressed Dictyostelium lamin (NE81) lacking both a functional nuclear localization signal and a CAAX-box for C-terminal lipid modification. This lamin mutant assembled into supramolecular, three-dimensional clusters in the cytosol that disassembled at the onset of mitosis and re-assembled in late telophase, thus mimicking the behavior of the endogenous protein. As disassembly is regulated by CDK1-mediated phosphorylation at serine 122, we generated a phosphomimetic S122E mutant called GFP-NE81-S122E-∆NLS∆CLIM. Surprisingly, during imaging, the fusion protein assembled into cytosolic clusters, similar to the protein lacking the phosphomimetic mutation. Clusters disassembled again in the darkness. Assembly could be induced with blue but not green or near ultraviolet light, and it was independent of the fusion tag. Assembly similarly occurred upon cell flattening. Earlier reports and own observations suggested that both blue light and cell flattening could result in a decrease of intracellular pH. Indeed, keeping the cells at low pH also reversibly induced cluster formation. Our results indicate that lamin assembly can be induced by various stress factors and that these are transduced via intracellular acidification. Although these effects have been shown in a phosphomimetic CDK1 mutant of the Dictyostelium lamin, they are likely relevant also for wild-type lamin.
The dictyostelium centrosome
(2021)
The centrosome of Dictyostelium amoebae contains no centrioles and consists of a cylindrical layered core structure surrounded by a corona harboring microtubule-nucleating gamma-tubulin complexes. It is the major centrosomal model beyond animals and yeasts. Proteomics, protein interaction studies by BioID and superresolution microscopy methods led to considerable progress in our understanding of the composition, structure and function of this centrosome type. We discuss all currently known components of the Dictyostelium centrosome in comparison to other centrosomes of animals and yeasts.
Diaphanous-related formins (DRFs) drive the nucleation and elongation of linear actin filaments downstream of Rho GTPase signalling pathways. Dictyostelium formin C (ForC) resembles a DRF, except that it lacks a genuine formin homology domain 1 (FH1), raising the questions whether or not ForC can nucleate and elongate actin filaments. We found that a recombinant ForC-FH2 fragment does not nucleate actin polymerization, but moderately decreases the rate of spontaneous actin assembly and disassembly, although the barbed-end elongation rate in the presence of the formin was not markedly changed. However, the protein bound to and crosslinked actin filaments into loose bundles of mixed polarity. Furthermore, ForC is an important regulator of morphogenesis since ForC-null cells are severely impaired in development resulting in the formation of aberrant fruiting bodies. Immunoblotting revealed that ForC is absent during growth, but becomes detectable at the onset of early aggregation when cells chemotactically stream together to form a multicellular organism, and peaks around the culmination stage. Fluorescence microscopy of cells ectopically expressing a GFP-tagged, N-terminal ForC fragment showed its prominent accumulation in the leading edge, suggesting that ForC may play a role in cell migration. In agreement with its expression profile, no defects were observed in random migration of vegetative mutant cells. Notably, chemotaxis of starved cells towards a source of cAMP was severely impaired as opposed to control. This was, however, largely due to a marked developmental delay of the mutant, as evidenced by the expression profile of the early developmental marker csA. In line with this, chemotaxis was almost restored to wild type levels after prolonged starvation. Finally, we observed a complete failure of phototaxis due to abolished slug formation and a massive reduction of spores consistent with forC promoter-driven expression of beta-galactosidase in prespore cells. Together, these findings demonstrate ForC to be critically involved in signalling of the cytoskeleton during various stages of development.
Dictyostelium cell fixation
(2020)
We share two simple modifications to enhance the fixation and imaging of relatively small, motile, and rounded model cells. These include cell centrifugation and the addition of trace amounts of glutaraldehyde to existing fixation methods. Though they need to be carefully considered in each context, they have been useful to our studies of the spatial relationships of the microtubule cytoskeletal system.
Lamine bilden zusammen mit laminassoziierten Proteinen die nukleäre Lamina. Diese ist notwendig für die mechanische Stabilität von Zellen, die Organisation des Chromatins, der Genexpression, dem Fortgang des Zellzyklus und der Zellmigration. Die vielfältigen Funktionen der Lamine werden durch die Pathogenese von Laminopathien belegt. Zu diesen Erkrankungen, welche ihre Ursache in Mutationen innerhalb der laminkodierenden Gene, oder der Gene laminassoziierter bzw. laminprozessierender Proteine haben, zählen unter anderem das „Hutchinson-Gilford Progerie Syndrom“, die „Emery-Dreifuss“ Muskeldystrophie und die dilatierte Kardiomyopathie. Trotz der fundamentalen Bedeutung der Lamine, wurden diese bisher nur in Metazoen und nicht in einzelligen Organismen detektiert. Der amöbide Organismus Dictyostelium discoideum ist ein haploider Eukaryot, der häufig als Modellorganismus in den verschiedensten Bereichen der Zellbiologie eingesetzt wird. Mit der Entdeckung von NE81, einem Protein das mit der inneren Kernhülle von Dictyostelium discoideum assoziiert ist, wurde erstmals ein Protein identifiziert, dass man aufgrund seiner Eigenschaften als laminähnliches Protein in einem niederen Eukaryoten bezeichnen kann. Diese Merkmale umfassen die Existenz lamintypischer Sequenzen, wie die CDK1-Phosphorylierungsstelle, direkt gefolgt von einer zentralen „Rod“-Domäne, sowie eine typische NLS und die hoch konservierte CaaX-Box. Für die Etablierung des NE81 als „primitives“ Lamin, wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Experimente durchgeführt, die strukturelle und funktionelle Gemeinsamkeiten zu den Laminen in anderen Organismen aufzeigen konnten. Die Herstellung eines polyklonalen Antikörpers ermöglichte die Verifizierung der subzellulären Lokalisation des NE81 durch Elektronenmikroskopie und gab Einblicke in das Verhalten des endogenen Proteins innerhalb des Zellzyklus. Mit der Generierung von NE81-Nullmutanten konnte demonstriert werden, dass NE81 eine wichtige Rolle bei der nukleären Integrität und der Chromatinorganisation von Zellen spielt. Des Weiteren führte die Expression von zwei CaaX-Box deletierten NE81 - Varianten dazu, den Einfluss des Proteins auf die mechanische Stabilität der Zellen nachweisen zu können. Auch die Bedeutung der hochkonservierten CaaX-Box für die Lokalisation des Proteins wurde durch die erhaltenen Ergebnisse deutlich. Mit der Durchführung von FRAP-Experimente konnte außerdem die strukturgebende Funktion von NE81 innerhalb des Zellkerns bekräftigt werden. Zusätzlich wurde im Rahmen dieser Arbeit damit begonnen, den Einfluss der Isoprenylcysteincarboxylmethyltransferase auf die Lokalisation des Proteins aufzuklären. Die Entdeckung eines laminähnlichen Proteins in einem einzelligen Organismus, der an der Schwelle zu den Metazoen steht, ist für die evolutionäre Betrachtung der Entwicklung der sozialen Amöbe und für die Erforschung der molekularen Basis von Laminopathien in einem einfachen Modellorganismus sehr interessant. Die Arbeit mit Dictyostelium discoideum könnte daher Wege aufzeigen, dass Studium der Laminopathien am Tiermodell drastisch zu reduzieren. In den letzten Jahren hat die Erforschung unbekannter Bestandteile des Centrosoms in Dictyostelium discoideum große Fortschritte gemacht. Eine zu diesem Zwecke von unserer Arbeitsgruppe durchgeführte Proteomstudie, führte zur Identifizierung weiterer, potentiell centrosomaler Kandidatenproteine. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Charakterisierung eines solchen Kandidatenproteins, dem CP75. Es konnte gezeigt werden, dass CP75 einen echten, centrosomalen Bestandteil darstellt, der mikrotubuli-unabhängig mit der Core Struktur des Zellorganells assoziiert ist. Weiterhin wurde deutlich, dass die Lokalisation am Centrosom in Abhängigkeit vom Zellzyklus erfolgt und CP75 vermutlich mit CP39, einem weiteren centrosomalen Core Protein, interagiert.
Charakterisierung der neuen centrosomalen Proteine CP148 und CP55 in Dictyostelium discoideum
(2012)
Das im Cytosol liegende Dictyostelium Centrosom ist aus einer geschichteten Core-Region aufgebaut, die von einer Mikrotubuli-nukleierenden Corona umgeben ist. Zudem ist es über eine spezifische Verbindung eng an den Kern geknüpft und durch die Kernmembran hindurch mit den geclusterten Centromeren verbunden. Beim G2/M Übergang dissoziiert die Corona vom Centrosom und der Core verdoppelt sich so dass zwei Spindelpole entstehen. CP55 und CP148 wurden in einer Proteom-Analyse des Centrosoms identifiziert. CP148 ist ein neues coiled-coil Protein der centrosomalen Corona. Es zeigt eine zellzyklusabhängige An- und Abwesenheit am Centrosom, die mit der Dissoziation der Corona in der Prophase und ihrer Neubildung in der Telophase korreliert. Während der Telophase erschienen in GFP-CP148 exprimierenden Zellen viele, kleine GFP-CP148-Foci im Cytoplasma, die zum Teil miteinander fusionierten und zum Centrosom wanderten. Daraus resultierte eine hypertrophe Corona in Zellen mit starker GFP-CP148 Überexpression. Ein Knockdown von CP148 durch RNAi führte zu einem Verlust der Corona und einem ungeordneten Interphase Mikrotubuli-Cytoskelett. Die Bildung der mitotischen Spindel und der astralen Mikrotubuli blieb davon unbeeinflusst. Das bedeutet, dass die Mikrotubuli-Nukleationskomplexe während der Interphase und Mitose über verschiedene Wege mit dem Core assoziiert sind. Des Weiteren bewirkte der Knockdown eine Dispersion der Centromere sowie eine veränderte Sun1 Lokalisation in der Kernhülle. Somit spielt CP148 ebenso eine Rolle in der Centrosomen-Centromer-Verbindung. Zusammengefasst ist CP148 ein essentielles Protein für die Bildung und Organisation der Corona, welche wiederum für die Centrosom/Centromer Verbindung benötigt wird. CP55 wurde als Protein der Core-Region identifiziert und verbleibt während des Zellzyklus am Centrosom. Dort besitzt es strukturelle Aufgaben, da die Mehrheit der GFP-CP55 Moleküle in der Interphase keine Mobilität zeigten. Die GFP-CP55 Überexpression führte zur Bildung von überzähligen Centrosomen mit der üblichen Ausstattung an Markerproteinen der Corona und des Cores. CP55 Knockout-Zellen waren durch eine erhöhte Ploidie, eine weniger strukturierte und leicht vergrößerte Corona sowie zusätzliche cytosolische Mikrotubuli-organisierende Zentren charakterisiert. Letztere entstanden in der Telophase und enthielten nur Corona- aber keine Core-Proteine. In CP55 k/o Zellen erfolgte die Rekrutierung des Corona-Organisators CP148 an den Spindelpol bereits in der frühen Metaphase anstatt, wie üblich, erst in der Telophase. Außerdem zeigten die Knockout-Zellen Wachstumsdefekte, deren Grund vermutlich Schwierigkeiten bei der Centrosomenverdopplung in der Prophase durch das Fehlen von CP55 waren. Darüber hinaus konnten die Knockout-Zellen phagozytiertes Material nicht verwerten, obwohl der Vorgang der Phagozytose nicht beeinträchtigt war. Dieser Defekt kann dem im CP55 k/o auftretenden dispergierten Golgi-Apparat zugeschrieben werden.
Dictyostelium centrosomes consist of a layered core structure surrounded by a microtubule-nucleating corona. At the G2/M transition, the corona dissociates and the core structure duplicates, yielding two spindle pole bodies. Finally, in telophase, the spindle poles mature into two new, complete centrosomes. CP55 was identified in a centrosomal proteome analysis. It is a component of the centrosomal core structure, and persists at the centrosome throughout the entire cell cycle. FRAP experiments revealed that during interphase the majority of centrosomal GFP-CP55 is immobile, which indicates a structural task of CP55 at the centrosome. The CP55null mutant is characterized by increased ploidy, a less structured, slightly enlarged corona, and by supernumerary, cytosolic MTOCs, containing only corona proteins and lacking a core structure. Live cell imaging showed that supernumerary MTOCs arise in telophase. Lack of CP55 also caused premature recruitment of the corona organizer CP148 to mitotic spindle poles, already in metaphase instead of telophase. Forces transmitted through astral microtubules may expel prematurely acquired or loosely attached corona fragments into the cytosol, where they act as independent MTOCs. CP55null cells were also impaired in growth, most probably due to difficulties in centrosome splitting during prophase. Furthermore, although they were still capable of phagocytosis, they appeared unable to utilize phagocytosed nutrients. This inability may be attributed to their partially disorganized Golgi apparatus.
The centrosome consists of a layered core structure surrounded by a microtubule-nucleating corona. A tight linkage through the nuclear envelope connects the cytosolic centrosome with the clustered centromeres within the nuclear matrix. At G2/M the corona dissociates, and the core structure duplicates, yielding two spindle poles. CP148 is a novel coiled coil protein of the centrosomal corona. GFP-CP148 exhibited cell cycle-dependent presence and absence at the centrosome, which correlates with dissociation of the corona in prophase and its reformation in late telophase. During telophase, GFP-CP148 formed cytosolic foci, which coalesced and joined the centrosome. This explains the hypertrophic appearance of the corona upon strong overexpression of GFP-CP148. Depletion of CP148 by RNAi caused virtual loss of the corona and disorganization of interphase microtubules. Surprisingly, formation of the mitotic spindle and astral microtubules was unaffected. Thus, microtubule nucleation complexes associate with centrosomal core components through different means during interphase and mitosis. Furthermore, CP148 RNAi caused dispersal of centromeres and altered Sun1 distribution at the nuclear envelope, suggesting a role of CP148 in the linkage between centrosomes and centromeres. Taken together, CP148 is an essential factor for the formation of the centrosomal corona, which in turn is required for centrosome/centromere linkage.
Lissencephaly is a severe brain developmental disease in human infants, which is usually caused by mutations in either of two genes, LIS1 and DCX. These genes encode proteins interacting with both the microtubule and the actin systems. Here, we review the implications of data on Dictyostelium LIS1 for the elucidation of LIS1 function in higher cells and emphasize the role of LIS1 and nuclear envelope proteins in nuclear positioning, which is also important for coordinated cell migration during neocortical development. Furthermore, for the first time we characterize Dictyostelium DCX, the only bona fide orthologue of human DCX outside the animal kingdom. We show that DCX functionally interacts with LIS1 and that both proteins have a cytoskeleton-independent function in chemotactic signaling during development. Dictyostelium LIS1 is also required for proper attachment of the centrosome to the nucleus and, thus, nuclear positioning, where the association of these two organelles has turned out to be crucial. It involves not only dynein and dynein-associated proteins such as LIS1 but also SUN proteins of the nuclear envelope. Analyses of Dictyostelium SUN1 mutants have underscored the importance of these proteins for the linkage of centrosomes and nuclei and for the maintenance of chromatin integrity. Taken together, we show that Dictyostelium amoebae, which provide a well-established model to study the basic aspects of chemotaxis, cell migration and development, are well suited for the investigation of the molecular and cell biological basis of developmental diseases such as lissencephaly.
The acentriolar Dictyostelium centrosome is a nucleus-associated body consisting of a core structure with three plaque-like layers, which are surrounded by a microtubule-nucleating corona. The core duplicates once per cell cycle at the G2/M transition, whereby its central layer disappears and the two outer layers form the mitotic spindle poles. Through proteomic analysis of isolated centrosomes, we have identified CP39 and CP75, two essential components of the core structure. Both proteins can be assigned to the central core layer as their centrosomal presence is correlated to the disappearance and reappearance of the central core layer in the course of centrosome duplication. Both proteins contain domains with centrosome-binding activity in their N- and C-terminal halves, whereby the respective N-terminal half is required for cell cycle-dependent regulation. CP39 is capable of self-interaction and GFP-CP39 overexpression elicited supernumerary microtubule-organizing centers and pre-centrosomal cytosolic clusters. Underexpression stopped cell growth and reversed the MTOC amplification phenotype. In contrast, in case of CP75 underexpression of the protein by RNAi treatment elicited supernumerary MTOCs. In addition, CP75RNAi affects correct chromosome segregation and causes co-depletion of CP39 and CP91, another central core layer component. CP39 and CP75 interact with each other directly in a yeast two-hybrid assay. Furthermore, CP39, CP75 and CP91 mutually interact in a proximity-dependent biotin identification (BioID) assay. Our data indicate that these three proteins are all required for proper centrosome biogenesis and make up the major structural components of core structure's central layer.