Institut für Biochemie und Biologie
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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.
Dictyostelium cells undergo a semi-closed mitosis, during which the nuclear envelope (NE) persists; however, free diffusion between the cytoplasm and the nucleus takes place. To permit the formation of the mitotic spindle, the nuclear envelope must be permeabilized in order to allow diffusion of tubulin dimers and spindle assembly factors into the nucleus. In Aspergillus, free diffusion of proteins between the cytoplasm and the nucleus is achieved by a partial disassembly of the nuclear pore complexes (NPCs) prior to spindle assembly. In order to determine whether this is also the case in Dictyostelium, we analysed components of the NPC by immunofluorescence microscopy and live cell imaging and studied their behaviour during interphase and mitosis. We observed that the NPCs are absent from the contact area of the nucleoli and that some nucleoporins also localize to the centrosome and the spindle poles. In addition, we could show that, during mitosis, the central FG protein NUP62, two inner ring components and Gle1 depart from the NPCs, while all other tested NUPs remained at the NE. This leads to the conclusion that indeed a partial disassembly of the NPCs takes place, which contributes to permeabilisation of the NE during semi-closed mitosis.
Dictyostelium cells undergo a semi-closed mitosis, during which the nuclear envelope (NE) persists; however, free diffusion between the cytoplasm and the nucleus takes place. To permit the formation of the mitotic spindle, the nuclear envelope must be permeabilized in order to allow diffusion of tubulin dimers and spindle assembly factors into the nucleus. In Aspergillus, free diffusion of proteins between the cytoplasm and the nucleus is achieved by a partial disassembly of the nuclear pore complexes (NPCs) prior to spindle assembly. In order to determine whether this is also the case in Dictyostelium, we analysed components of the NPC by immunofluorescence microscopy and live cell imaging and studied their behaviour during interphase and mitosis. We observed that the NPCs are absent from the contact area of the nucleoli and that some nucleoporins also localize to the centrosome and the spindle poles. In addition, we could show that, during mitosis, the central FG protein NUP62, two inner ring components and Gle1 depart from the NPCs, while all other tested NUPs remained at the NE. This leads to the conclusion that indeed a partial disassembly of the NPCs takes place, which contributes to permeabilisation of the NE during semi-closed mitosis.
Molekulare Charakterisierung von CP75, einem neuen centrosomalen Protein in Dictyostelium discoideum
(2016)
Das Centrosom ist ein Zellkern-assoziiertes Organell, das nicht von einer Membran umschlossen ist. Es spielt eine wichtige Rolle in vielen Mikrotubuli- abhängigen Prozessen wie Organellenpositionierung, Zellpolarität oder die Organisation der mitotischen Spindel. Das Centrosom von Dictyostelium besteht aus einer dreischichtigen Core-Struktur umgeben von einer Corona, die Mikrotubuli-nukleierende Komplexe enthält. Die Verdoppelung des Centrosoms in Dictyostelium findet zu Beginn der Mitose statt. In der Prophase vergrößert sich die geschichtete Core-Struktur und die Corona löst sich auf. Anschließend trennen sich die beiden äußeren Lagen der Core-Struktur und bilden in der Metaphase die beiden Spindelpole, die in der Telophase zu zwei vollständigen Centrosomen heranreifen. Das durch eine Proteom-Analyse identifizierte Protein CP75 lokalisiert am Centrosom abhängig von den Mitosephasen. Es dissoziiert von der Core-Struktur in der Prometaphase und erscheint an den Spindelpolen in der Telophase wieder. Dieses Verhalten korreliert mit dem Verhalten der mittleren Lage der Core-Struktur in der Mitose, was darauf hinweist, dass CP75 eine Komponente dieser Schicht sein könnte. Die FRAP-Experimente am Interphase- Centrosom zeigen, dass GFP-CP75 dort nicht mobil ist. Das deutet darauf hin, dass das Protein wichtige Funktionen im Strukturerhalt der centrosomalen Core- Struktur übernehmen könnte. Sowohl die C- als auch die N-terminale Domäne von CP75 enthalten centrosomale Targeting-Domäne. Als GFP-Fusionsproteine (GFP-CP75-N und -C) lokalisieren die beiden Fragmente am Centrosom in der Interphase. Während GFP-CP75-C in der Mitose am Centrosom verbleibt, verschwindet GFP-CP75-N in der Metaphase und kehrt erst in der späten Telophase zurück. GFP-CP75-C und GFP-CP75O/E kolokalisieren mit F-Aktin am Zellcortex, zeigen aber keine Interaktion mit Aktin mit der BioID-Methode. Die N-terminale Domäne von CP75 enthält eine potentielle Plk1- Phosphorylierungssequenz. Die Überexpression der nichtphosphorylierbaren Punktmutante (GFP-CP75-Plk-S143A) ruft verschiedene Phänotypen wie verlängerte oder überzählige Centrosomen, vergrößerte Zellkerne und Anreicherung von detyrosinierten Mikrotubuli hervor. Die ähnlichen Phänotypen konnten auch bei GFP-CP75-N und CP75-RNAi beobachtet werden. Der
Phänotyp der detyrosinierten Mikrotubuli bringt erstmals den Beweis dafür, dass I
in Dictyostelium posttranslationale Modifikation an Tubulinen stattfindet. Außerdem zeigten CP75-RNAi-Zellen Defekte in der Organisation der mitotischen Spindel. Mittels BioID-Methode konnten drei potentielle Interaktionspartner von CP75 identifiziert werden. Diese drei Proteine CP39, CP91 und Cep192 sind ebenfalls Bestandteile des Centrosoms.
Dictyostelium centrosomes consist of a nucleus-associated cylindrical, three-layered core structure surrounded by a corona consisting of microtubule-nucleation complexes embedded in a scaffold of large coiled-coil proteins. One of them is the conserved CDK5RAP2 protein. Here we focus on the role of Dictyostelium CDK5RAP2 for maintenance of centrosome integrity, its interaction partners and its dynamic behavior during interphase and mitosis. GFP-CDK5RAP2 is present at the centrosome during the entire cell cycle except from a short period during prophase, correlating with the normal dissociation of the corona at this stage. RNAi depletion of CDK5RAP2 results in complete disorganization of centrosomes and microtubules suggesting that CDK5RAP2 is required for organization of the corona and its association to the core structure. This is in line with the observation that overexpressed GFP-CDK5RAP2 elicited supernumerary cytosolic MTOCs. The phenotype of CDK5RAP2 depletion was very reminiscent of that observed upon depletion of CP148, another scaffolding protein of the corona. BioID interaction assays revealed an interaction of CDK5RAP2 not only with the corona markers CP148, gamma-tubulin, and CP248, but also with the core components Cep192, CP75, and CP91. Furthermore, protein localization studies in both depletion strains revealed that CP148 and CDK5RAP2 cooperate in corona organization.