• Keine Ergebnisse gefunden

Functional characterization of the mitotic kinesin-like protein Kif18A

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Aktie "Functional characterization of the mitotic kinesin-like protein Kif18A"

Copied!
150
0
0

Wird geladen.... (Jetzt Volltext ansehen)

Volltext

(1)

 

Functional characterization of the  mitotic kinesin‐like protein Kif18A 

Dissertation 

zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der  Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) des Fachbereiches Biologie 

Mathematisch‐Naturwissenschaftliche Sektion  Universität Konstanz 

     

vorgelegt von 

Monika Isabelle Mayr 

Tag der mündlichen Prüfung: 9. Dezember 2010  Referent: Prof. Dr. Thomas U. Mayer 

Referent: Prof. Dr. Martin Scheffner 

Konstanzer Online-Publikations-System (KOPS) URN: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:352-opus-129151

URL: http://kops.ub.uni-konstanz.de/volltexte/2011/12915/

(2)

Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit ohne unzulässige Hilfe  Dritter und ohne Benutzung anderer als der angegebenen Hilfsmittel 

angefertigt habe. Die aus anderen Quellen direkt oder indirekt übernommenen  Daten und Konzepte sind unter Angabe der Quelle gekennzeichnet. Weitere  Personen, insbesondere Promotionsberater, waren an der inhaltlich 

materiellen Erstellung dieser Arbeit nicht beteiligt. Die Arbeit wurde  bisher weder im In‐ noch im Ausland in gleicher oder ähnlicher   Form einer anderen Prüfungsbehörde vorgelegt. 

Konstanz, den 26.10.2010       Monika Isabelle Mayr   

(3)

 

 

 

 

Für 

meine wunderbare Familie  meinen geliebten Stefan  und meinen treuen Taylor 

                         

 

(4)

Table of contents 

1 Introduction  9

1.1 Basic machinery of the mitotic spindle  9 1.1.1 The mitotic spindle – a cellular machine composed of microtubules and 

associated proteins  9

1.1.2 Intrinsic properties of microtubules facilitate spindle assembly       

and function  10

1.2 The kinesin superfamily (Kifs)  13

1.2.1 Kinesins – Identification and Classification  13

1.2.2 Kinesins walk “hand‐over‐hand”  15

1.2.3 Kinesin‐8 family  16

1.3 Kinetochore – Microtubule interface  17 1.3.1 An overview of kinetochore function and organization  17 1.4 Chromosome behaviour during mitosis  19

1.4.1 The mitotic phases  19

1.4.2 Kinetochores mediate chromosome attachment  20 1.4.3 Mechanism underlying chromosome congression  23

1.4.3.1 Search and Capture Model  23

1.4.3.2 Polar ejection forces  24

1.4.4 Kinesins function in chromosome positioning  25

1.4.4.1 The essential role of human kinesin‐8, Kif18A, in mitotic chromosome alignment  26

1.4.5 Chromosome directional instability  27

1.5 Regulation of mitotic progression by mitotic kinases  28 1.5.1 Mitotic kinases regulate progression through M‐phase  28 1.5.2 Regulation of kinesins by mitotic kinases  31

Aim of work  32

2 Results  33

2.1 Functional Characterization of Kif18A  33 2.1.1 Kif18A is a cell cycle regulated kinesin  33 2.1.2 Localization of Kif18A during mitotic progression  34  

 

(5)

 

2.1.3 Kif18A is required for chromosome congression and timely ordered 

progression through mitosis  37

2.1.4 Kif18A depletion activates the SAC due to reduced tension  38 2.1.5 Kif18A depletion induces elongated mitotic spindles  39 2.1.6 Kif18A units plus‐end directed motility with depolymerase activity  41 2.1.7 The ATPase activity of Kif18A is stimulated not only by microtubule 

polymer but also by tubulin dimer  44

2.2 Regulation of Kif18A during mitotic progression by Cdk1  45

2.2.1 Kif18A is a mitotic phosphoprotein  45

2.2.2 Cdk1 causes the electrophoretic upshift of Kif18A in mitosis  46 2.2.3 MS‐Analyses identify C‐terminal in vivo phosphorylation sites in Kif18A  47 2.2.4 Kif18AFL and Kif18AC593‐898 are Cdk1 substrates in vitro  48 2.2.5 S674 is the major Cdk1 phosphorylation site in vivo  51 2.2.6 Kif18A phosphorylation at S674 by Cdk1 is required for timely anaphase 

onset  52

2.2.7 Cdk1 phosphorylation at S674 is required to properly localize Kif18A       

to the plus tips of kMTs  56

2.2.8 Phosphorylation of Kif18A by Cdk1‐cyclinB1 does not affect Kif18A     

binding to stabilized microtubules in vitro  57 2.2.9 The motility of Kif18A is not affected by Cdk1 phosphorylation in vitro  59 2.3 Regulation of Kif18A during mitotic progression by Plk1  60 2.3.1 Plk1 and Kif18A share dynamic localization pattern throughout mitosis  60 2.3.2 Plk1 partially causes the phosphorylation‐induced upshift of Kif18A in 

mitotic cells  61

2.3.3 Kif18A localizes to the plus tips of kinetochore MTs in cells lacking Plk1 

kinase activity  62

2.3.4 Kif18A is a Plk1 substrate in vitro  63

2.3.5 Cells expressing GFP‐Kif18AS859E fail to properly localize to the plus tips of 

kMTs in Kif18A depleted cells  66

2.3.6 Plk1 phosphorylation at S859 is required for timely progression through 

mitosis  69

2.3.7 The motility of Kif18A is not affected by Plk1 phosphorylation in vitro  72 2.3.8 Phosphorylation of Kif18A by Plk1 does not affect Kif18A binding to 

stabilized microtubules in vitro  73

3 Discussion  75

3.1 Characterization of Kif18A – a dual functional kinesin        required   for mitotic chromosome alignment  75 3.1.1 Kif18A unites both plus‐end directed motility with length dependent 

depolymerase activity  75

3.1.1.1 The antenna model  75

(6)

 

3.1.1.2 Cooperative depolymerization  76

3.1.2 MT depolymerization by monomeric Kif18A  77 3.1.3 Lessons from kinesin‐8 and kinesin‐13 microtubule depolymerases  78

3.1.3.1 Kinesin‐8 lack kinesin‐13‐specific elements involved in MT depolymerisation  78 3.1.3.2 Comparison of the biochemical properties of kinesin‐8 and kinesin‐13  79 3.1.3.3 Kinesin‐8 and kinesin‐13 at the microtubule end  80

3.1.4 The role of ATP in MT depolymerization by kinesin‐8 and kinesin‐13  81 3.1.5 Does cooperative depolymerization reflect the physiological      

function of kinesin‐8?  83

3.1.6 Kif18A localizes to the plus ends of mitotic spindle microtubules  84

3.1.6.1 How do kinesin‐8s manage to accumulate at the plus tips of dynamic microtubules?  86

3.1.7 Kif18A is required to maintain proper spindle size (MT length)  87

3.1.7.1 How do kinesin‐8s control microtubule lenght in cells?  87 3.1.7.2 Kinesin‐8s function in microtubule length control  88

3.1.8 Kif18A controlls chromosome alignment by suppressing chromosome 

oscillations  89

3.1.8.1 How do kinesin‐8 motors functionally contribute to chromosome congression?  89 3.1.8.2 How do the biochemical properties of the kinesin‐8 motor enable them to regulate        

mitotic chromosome alignment?  91

3.1.8.3 How do kinesin‐8s provide the dynamic linkage at the plus ends of kMTs for force 

generation to control chromosome alignment?  92

3.1.9 Proposed model of Kif18A function at the plus tips of kinetochore 

microtubules  95

3.2 Phosphoregulation of Kif18A by Cdk1 and Plk1  96 3.2.1 The characteristic mitotic upshift of Kif18A is caused by Cdk1 and Plk1  96

3.2.1.1 Cdk1 and Plk1 phosphorylate the C‐terminus of Kif18A in vitro  97

3.2.2 Regulation of Kif18A by Cdk1 phosphorylation  97

3.2.2.1 Cdk1 phosphorylates Kif18A at S674 in vitro and in vivo  97 3.2.2.2 Cdk1 phosphorylation of Kif18A and chromosome dynamics  98

3.2.3 Regulation of Kif18A by Plk1 phosphorylation  100

3.2.3.1 Kif18A and Plk1 localization at the kinetochore  100 3.2.3.2 Plk1 phosphorylation impairs Kif18A localization  101 3.2.3.3 Plk1 phosphorylation of Kif18A and mitotic progression  103

3.2.4 Cdk1 and Plk1 phosphorylation and the effects on basic kinetic      

properties of Kif18A  103

3.2.5 Proposed model of the involvement of Cdk1 and Plk1 phosphorylation at 

Kif18A in chromosome alignment  105

 

 

(7)

4 Materials and Methods  107

4.1 Molecular biological methods  107

4.1.1 Cloning procedures  107

4.2 Biochemical materials and methods  114 4.2.1 Purification of GST‐tagged proteins from E.coli  114 4.2.2 Purification of His tagged proteins from SF9 cells  114 4.2.3 Purification of tubulin from pig brains  115 4.2.4 Preparation of GMPCPP stabilized microtubules  116 4.2.5 In vitro assay for GMP‐CPP microtubule depolymerization  116

4.2.6 Sedimentation assay  117

4.2.7 Steady‐state ATPase  117

4.2.8 In vitro gliding assay  117

4.2.9 Antibody Production  118

4.2.10 In vitro kinase assays  118

4.2.11 Westernblotting  119

4.3 Cell biological materials and methods  120

4.3.1 Generation of stable celllines  120

4.3.2 Cellculture  121

4.3.3 Cell cycle studies  122

4.3.4 Compound treatment  123

4.3.5 Transient transfection  124

4.3.6 RNAi  124

4.3.7 RNAi rescue experiments  125

4.3.8 Immunofluorescence  125

4.3.9 Live cell imaging  125

4.3.10 Microscopy  126

Summary  127

Zusammenfassung  130

List of Abbreviations  133

References  135

(8)

Acknowledgements  145

Curriculum Vitae  147

Publications  149 

(9)

1       Introduction 

1.1 Basic machinery of the mitotic spindle 

1.1.1 The mitotic spindle – a cellular machine composed of microtubules and  associated proteins  

The integrity of each organism is intrinsically tied to the faithful distribution of its  replicated chromosomes during mitosis. This challenging task is mediated by the  mitotic spindle; a cellular machine composed of microtubules (MTs) and associated  proteins. The inherent dynamic properties of MTs are used by the cell to create the  basic machinery of the mitotic spindle. Structurally, the mitotic spindle is built from  dynamic  microtubule  minus ends which reside  near the  poles  of  the spindle  (centrosomes),  whereas  more  dynamic  plus  ends  extend  towards  the  spindle  equator and the cortex of the cell. As a result, microtubules between the spindle  poles are organized into an antiparallel array and microtubules outside of the  spindle body form two radial asters that converge on the spindle poles. 

The key interaction between each chromatid and the spindle microtubules occurs at  the centromere  of  the chromosome, where a macromolecular complex termed  kinetochore  assembles.  A  subset  of  spindle  microtubules  called  kinetochore  microtubules, which are organized into bundles known as kinetochore fibers (k‐

fibers) attach the kinetochores and allow them to align and to segregate1‐2. Interpolar  MTs overlap with MTs from the opposing pole and help to stabilize the bipolar  spindle during prometaphase and metaphase and enable spindle pole separation3.  In addition, in human cells, centrosomes as the primary MT organizing centers have  astral MTs extending away from the spindle and are important to position the  mitotic spindle. 

   

(10)

 

 

Fig 1.1.1 The basic machinery of the mitotic spindle. 

This cartoon shows the basic components of the mitotic spindle in somatic cells. 

 

1.1.2 Intrinsic properties of microtubules facilitate spindle assembly and  function 

Key for the fast capture of chromosomes and the alignment of chromosomes at the  metaphase plate are the intrinsic properties of microtubules. 

Microtubules are dynamic, polar polymers assembled from tubulin heterodimers  consisting of alpha and beta tubulin. Tubulin subunits arrange head to tail to form  protofilaments, in which there are typically 13 protofilaments associated laterally to  form a hollow tube. The end with the terminal alpha tubulin subunit is the minus  end, which grows more slowly than the plus end in vitro and is often capped on  microtubule organizing center e.g. the spindle poles. The polarity of the tubulin  dimer gives rise to polarity along the length of the microtubule lattice. Motor  proteins (kinesin and dynein) recognize this polarity and therefore play crucial  roles in organizing spindle microtubules by either transporting activities along  them or by directly regulating their dynamics1‐2; 4

             

(11)

 

Even under conditions where the net microtubule polymer mass does not change,  individual microtubules undergo stochastic switches between phases of growth and  shrinkage, a process termed dynamic instability.  

Dynamic instability results from GTP hydrolysis within the beta tubulin subunit  that  occurs  upon  assembly  and  destabilizes  the  lattice  by  promoting  a  conformational change. Thus, microtubules are GTPases whose GTP‐hydrolyzing  activity  is  stimulated  upon  assembly  of  MTs.  Under  conditions  that  favour  polymerization, a cap of GTP tubulin subunits is maintained at the growing end  that holds the microtubule together. However, if GTP hydrolyis catches up with  subunit addition and the terminal subunits are converted to GDP‐tubulin, the  microtubule  depolymerises.  Microtubules  in  the  spindle  also  exhibit  dynamic  instability which occurs primarily at the plus ends of the microtubules as the minus  ends are often capped at the centrosomes or spindle poles. Many regulatory factors  (microtubule‐ and tubulin‐associated factors) positively  or  negatively stimulate  microtubule dynamic behaviour. In addition, spindle microtubules and kinetochore  (k)‐fibers exhibit an additional dynamic property, known as microtubule flux, in  which there is a net addition of tubulin heterodimers at the plus ends near the  kinetochores  and  a  net  loss  of  tubulin  subunits  at  the  minus  ends  near  the  centrosomes2; 4

The strikingly different dynamics of the interphase MT array versus the mitotic  spindle imply the existence of a complex network of MT dynamics regulating  proteins. 

 

                   

(12)

   

  B      C 

   

 

Fig 1.1.2 Microtubule dynamics in the spindle. Microtubules are dynamic polymers that are  assembled from tubulin heterodimers, which are organized such that the microtubules have an  intrinsic polarity. A) Microtubules undergo periods of polymerization and depolymerization and  interconvert randomly between these states, property known as dynamic instability. Although  microtubules exhibit dynamic instability at both ends of the microtubule, the plus ends are more  dynamic than the minus ends. B) Microtubules in the spindle also exhibit dynamic instability, which  occurs primarily at the plus ends of the microtubules as the minus ends are often capped at the  centrosome. C) However, spindle microtubules and kinetochore (k)‐fibers exhibit an additional  dynamic property,  known  as microtubule  flux, in  which there  is  net addition  of tubulin  heterodimers at the plus ends near the kinetochores and a net loss of tubulin subunits at the minus  ends near the centrosomes. Adapted from1

                   

(13)

1.2 The kinesin superfamily (Kifs) 

1.2.1 Kinesins – Identification and Classification 

In 1985 Vale and colleagues identified a translocator protein, purified from squid  axoplasm and bovine brain, which induced the movement of microtubules on a  glass coverslip and in solution5‐6. Vale and coworkers concluded that the squid and  bovine translocators represent a novel class of motility proteins that are structurally  as  well  as  enzymatically  distinct  from  dynein,  and  proposed  to  call  these  translocators “kinesin” (from the Greek kinein, to move)5.  

The kinesin superfamily proteins (Kifs) share a common 360‐aminoacid sequence  that is highly conserved among all  eukaryotic phyla. This conserved globular  kinesin motordomain contains both a catalytic pocket for the hydrolysis of ATP and  the binding sites for microtubules. This globular motor domain, called the “head,” 

hydrolyzes ATP and transfers chemical energy into mechanical force which results  in the motility of each Kif (exept kinesin‐13) along microtubules with intrinsic  directionality. Hence, it is often referred to as the ‘catalytic core’. Since the motor  domains show high amino acid sequence homologies of 30–60% among various  Kifs, evolution has adapted this core motor domain by adding divergent non‐motor  regions that are important for isoform‐specific functions, such as cargo binding,  regulation and localization7‐9.  

Recently, all 45 Kif genes in the mammalian and human genomes have been  systematically identified and classified into a standard kinesin nomenclature.  

Kifs constitute 15 kinesin families, which are classified by sequence homology of the  motor domain10‐11.  

         

(14)

 

A      B 

   

   

Fig 1.2.1 Structure and phylogeny of major mouse kinesinsA) Pylogenetic tree of all 45 kinesin  superfamily (also known as Kif gnes in the mouse genome, which are classified into 15 families. B)  The domain structure of the major kinesins. In general, kinesins comprise a kinesin motor domain  and a coiled‐coil domain. There are also gene specific domains. The 15 families of kinesins can be  broadly grouped into N‐kinesins, M‐kinesins and C‐kinesins, which contain their motor domain at  the amino terminus, in the middle or at the carboxyl terminus, respectively. N‐kinesins drive  microtubule plus end‐directed transport, C‐kinesins drive minusend‐directed transport and M‐

kinesins depolymerize microtubules. The three types of kinesin are grouped as indicated. Only the  kinesin 13 family contains M‐kinesins and only the kinesin 14A and kinesin 14B families contain C‐

kinesins. All other families consist of N‐kinesins. aa, amino acids; PX, Phox homology. Adapted  from12

(15)

1.2.2 Kinesins walk “hand‐over‐hand” 

Conventional kinesin is a homodimer with identical catalytic cores (heads) that  bind  to  microtubules and ATP.  Each head  is connected to a  “neck‐linker,” a  mechanical element that undergoes nucleotide‐dependent conformational changes  that enable motor stepping. The neck linker is in turn connected to a coiled coil that  then leads to the cargo‐binding domain. In order to take many consecutive steps  along the microtubule without dissociating, the two heads operate in a coordinated 

“hand over hand” manner to walk processively along a microtubule track7; 13‐15. In  the  “hand over hand” model, ATP binding and hydrolysis creates a conformational  change in the forward head (in Fig 1.2.2B head 1 green) and this conformation pulls  the rear head (in Fig 1.2.2B head 2 blue) forward, while head 1 stays fixed on the  track. In the next step, head 2 stays fixed and pulls head 1 forward16.

A B

                     

       

Fig 1.2.2 Structure of dimeric kinesin and hand‐over‐hand mechanism for processive movement  of kinesin. A) Ribbon representation, viewing the core b sheet of the upper head (A) roughly face‐

on.b‐strands are light blue, and a helices are pink. Regions thought to be involved in microtubule  binding are colored green (on the back, loop L7‐b5‐ L8a5 MT1, L125MT2), and regions involved in  nucleotide binding are purple (loops at the upper end of strands b1, b3, b7, and b6, containing motifs  N4, N1, N3 5 switch II, and N2 5switch I). The nucleotide (ADP) is shown as a space‐filling model  (orange 5 base and ribose, and yellow 5 phosphates). In the upperhead, the a helices a1–a3 are in 

front and a4–a6 are behind the core sheet, and the neck helix a7 runs to the left roughly in the plane        

of the paper. The lower headB presents a tilted view roughly onto the back side. Note also that the  neck of head A (pink) lies in front of neck B (red). The model includes residues 2–240and 256–370; 

residue 1 is missing due to bacterial processing, and residues 241–255 (loop L11) and 371–379 are not  visible due to disorder. Adapted from7B) The hand‐over‐hand model predicts that dye on the  head of kinesin will move alternately 16.6 nm, 0 nm, 16.6 nm. Adapted from7

(16)

   

By converting the energy released from ATP hydrolysis into mechano‐chemical  force  kinesins  act  as molecular  motors  driving a  variety of  diverse  functions  including the transport of organelles, protein complexes and mRNA to specific  destinations along microtubules9; 17‐19. In addition, kinesin motors perform a variety  of specific functions within the mitotic spindle to ensure that chromosomes are  segregated  with  the  highest  fidelity  possible.  These  cellular  functions  reflect  intimately their mechanical and enzymatic properties at the single molecule level20.  

1.2.3 Kinesin‐8 family 

Members of the kinesin‐8 family are characterized by a helical family‐specific neck9.  The  kinesin‐8  family  comprises  two  subfamilies,  an  animal‐specific  subfamily  containing  Kif18, and  an  ubiquitous  subfamily  that  includes Kif199. Kinesin‐8  proteins  are  important  for  microtubule  cortical  interactions,  mitochondrial  distribution, kinetochore dynamics and spindle morphogenesis and chromosome  segregation21‐25. Members of the kinesin‐8 family of kinesins (Kif18A,B H. sapiens; 

Klp67A, D. melanogaster; KipB, A. nidulans; Kip3p, S. cerevisiae; klp5/6+, S. pombe)  have been classified as microtubule depolymerases based on the observation that  loss  of  their  activity  results  in  aberrantly  long  spindles  with  hyperstable  microtubules21‐22;  26‐31.  Depletion  of  kinesin‐8  led  in  a  variety  of  organism  to  chromosome congression defects23;  31‐33. A more detailed introduction of Kif18A  function in chromosome alignment is given under 1.4.4.1.  

In  vitro  studies  have  established  that  kinesin‐8s  are  dual‐functional  motors,  integrating  both  highly  processive,  plus‐end  directed  movement  and  length  dependent plus end‐specific depolymerase activity25; 34. Moreover, kinesin‐8 motors  act cooperatively to mediate length dependent depolymerization at the plus ends of  microtubules35.  

   

(17)

 

 

     

Fig 1.2.3 Structures and domains of the kinesin‐8 family. Characteristic features of kinesin‐8 and  subfamily were deduced from amino acid alignments and results from the SMART server (top  panel).  Adapted  from9 Schematic    representation  of  Kif18A.  Numbers  delimiting  domains  correspond to aminoacid positions (bottom panel). 

 

1.3 Kinetochore – Microtubule interface 

1.3.1 An overview of kinetochore function and organization 

The  kinetochore  is  a  powerful  module  integrating  both  the  attachment  of  chromosomes to spindle microtubules and monitoring the state of kinetochore‐

microtubule attachments to control the progression of the cell cycle. 

The architecture of the kinetochores has been characterized in detail by classic  electron  microscopy  in  chemically  fixed  cells.  These  studies  first  defined  the  kinetochore as a trilaminar plate‐like structure with electron‐opaque outer and  inner  plates  separated  by  an  electron‐translucent  middle  layer.    The  inner  kinetochore plate forms on highly repetitive DNA sequences and assembles into  specialized form of centromeric chromatin in human cells. The outer kinetochore, a  50‐60 nm thick region forms the interaction surface with proteins that associate with  the plus ends of microtubules.  

Electron microscopy analysis carried out in the presence of drugs that prevent  microtubule polymerization shows a dense array of fibers, called the fibrous corona,  that extend away from the outer kinetochore and contains microtubules motors,  such as CENP‐E36.   

 

(18)

 

More recent analyses of the kinetochore structure, which employed high‐pressure  freezing instead of chemical fixation, revealed that the microtubules terminate in a  mat of lightly stained material at the centromeric heterochromatin rather than in a  distinct  trilaminar  plate,  suggesting  that  the  plate‐like  structure  may  be  a  consequence of chemical fixation. In this mat of material, individual connections to  the  microtubule  ends  seem  to  be  distinct  in  attached  versus  unattached  kinetochores,  suggesting  that  attachments of  microtubules  are  correlated  with  structural changes at the kinetochore1; 36‐38.  

A      B 

   

Fig 1.3.1 Structure of vertebrate kinetochores A) Schematic of mitotic chromosome with paired  sister chromatids — the chromatid on the right is attached to microtubules and the chromatid on the  left is unattached. The inner kinetochore, the outer kinetochore, the inner centromere and the fibrous  corona, which is detectable on the unattached kinetochore, are highlighted. B) Electron micrograph  of a human kinetochore. The micrograph represents a single slice from a tomographic volume of a  high‐pressure frozen mitotic cell and has been labelled as in a to highlight the key structural features  of the kinetochore. Scale bar, 100 nm. Adapted from36

                     

(19)

1.4 Chromosome behaviour during mitosis  1.4.1 The mitotic phases 

The process of mitosis is divided into distinct phases that are defined largely by the  organization and behaviour of the chromosomes1; 39.  

During  prophase,  chromosomes  become  progressively  condensed  inside  the  nucleus. In parallel, microtubule nucleation at centromeres increases fivefold from  the level seen during interphase and microtubules become more dynamic. 

In higher eukaryotes nuclear envelope breakdown (NEBD) marks the transition  between  prophase  and  prometaphase,  during  which  the  attachment  of  the  microtubules to the chromosomes exhibit a complex pattern of poleward and anti‐

poleward movements. Over time these movements result in the congression of  chromosomes to the spindle equator.  

Alignment of all chromosomes to the spindle equator marks the transition to the  next stage of mitosis, metaphase – the stage at which all chromosomes are aligned  at the spindle equator. Once the last chromosome is properly oriented at the  metaphase plate, the cohesion between sister chromatids is lost, and the cells enters  anaphase. At this stage, sister chromatids move poleward (anaphase A) and the  poles separate from each other (anaphase B). During the next stage, telophase, the  chromosomes  decondense  as  the  nuclear  envelopes  reform  around  the  two  daughter nuclei. The cell is divided in two by cytokinesis, but the sister cells remain  connected by a thin bridge termed the midbody. Finally, abscission of the midbody  results in the complete separation of the two newly forming daughter cells1; 4; 39.    

         

(20)

                     

       

Fig 1.4.1 Structure of the mitotic spindle. Mitosis can be staged into distinct phases. In interphase,  most of the chromatin is decondensed in the nucleus and the microtubules are organized in a radial  array from the centrosome. During prophase, the chromosomes become highly condensed, and the  centrosomes begin to separate. Nuclear envelope breakdown manifests the transition between  prophase and prometaphase so that the individual chromosomes are no longer constrained in the  nucleus. During prometaphase, kinetochore (k)‐fibers (bundles of stabilized microtubules) connect  the spindle microtubules and the kinetochores on the chromosomes, such that the chromosome can  align at the spindle equator, which defines metaphase. The movement of the chromosomes towards  the poles occurs during anaphase A, and the two spindle poles separate during anaphase B. The  nuclear envelope begins to reform and the DNA starts to decondense during telophase. An  organized central spindle bundle of microtubules is also present. Cytokinesis divides the cytoplasm  of the cell so that the two daughter nuclei are segregated into individual cells, which enter  interphase and begin the process again. Modified from1

 

1.4.2 Kinetochores mediate chromosome attachment 

The crucial region on chromosomes for interaction with the mitotic spindle is at the  kinetochores. Proper chromosome segregation requires that both kinetochores on  each chromosome are connected to opposite spindle poles. This highlights the need  for a cell to monitor how attachments are made, and to sense whether attachments  are made correctly and correct any that are not.  

 

(21)

 

A remarkable feature of kinetochores is that they maintain stable attachments to  growing or disassembling microtubules36; 40. The kinetochore contains several highly  conserved protein complexes, such as the KMN network complex (an acronym for  Knl‐1, Mis12 and Ndc80), that all have a distinct role in the hierarchy of kinetochore  assembly. The exact molecular nature of the tethers between kinetochores and the  microtubule lattice has not been established. Originally, it was hypothesized that  the tethers were formed by motor proteins, which couple the energy of ATP  hydrolysis to force production. More recently, the Ndc80 complex emerged as a  candidate for establishing the kinetochore–microtubule interface because it has both  microtubule‐  and  kinetochore‐binding  sites.  Functional  analysis  of  the  Ndc80  complex  in  a  number  of  organisms  has  demonstrated  that  it  is  essential  for  kinetochore–microtubule  interactions41‐43.  The  approximately  170  kDa  Ndc80  complex contains four subunits: Ndc80 (also known as Hec1), Nuf2, Spc24, and  Spc25  which  form  a  rod‐like  structure with  two  globular  heads  at each  end  separated by a long coiled‐coil region44‐45. One end of the rod, composed of the  globular  regions  of  Ndc80  and  Nuf2,  localizes  to  the  outer  regions  of  the  kinetochore and binds directly to microtubules46‐47. The other end of the Ndc80  complex rod, composed of the globular regions of Spc24 and Spc25 is more closely  apposed to the inner kinetochore48. In vertebrates, both the Mis12 complex and the  CCAN  (constitutive  centromere‐associated  network)  influence  Ndc80  complex  localization to kinetochores. Although the Ndc80 complex has weak microtubule  binding affinity on its own, when it associates with the Mis12 complex and KNL1,  the  microtubule‐binding  affinity  is  synergistically  increased47.  The  Ndc80  kinetochore–microtubule  interactions seem  to  be sufficiently  robust  enough to  transduce forces to drive chromosome motility while also coupling the intrinsic  dynamic instability of bound microtubule polymers to chromosome movement.  

     

(22)

 

In  addition,  NDC80  was  shown  to  processively  track  the  depolymerizing  microtubule ends, providing a dynamic NDC80 linkage slides the kinetochore  along a microtubule. One interesting correlation is that the size and the angle of the  fibers that approach the microtubule lattice in the electron microscopy tomography  reconstruction of the k‐fiber match the size and the angle of the NDC80 hooks that  decorate microtubules in vitro providing evidence that NDC80 might be the primary  microtubule linker at the kinetochore1; 36; 38; 44‐45; 49‐51.  

A      C 

       

 

     

Fig 1.4.2 The molecular machinery of kinetochore–microtubule attachment. A) Overall view of the  2.9A° crystal structure of the bonsai‐Ndc80 complex (PDB ID 2VE7). The two CH domains pack in a  tight dimeric assembly. An 80‐residue N‐terminal disordered segment in the Ndc80 subunit escaped  structure determination (dashed line). Together with the globular region of Ndc80:Nuf2, this  segment contributes to microtubule binding. B) model of the full length Ndc80 complex. The  model is based on electron microscopy work on the Ndc80 complex and on a crosslinking and mass  spectrometry analysis that identified the register of coiled‐coil interaction within the central shaft. 

The regions contained in the crystal structure of bonsai‐Ndc80 are boxed. The coiled‐coil  is  interrupted by a 50‐residue insertion in the Ndc80 sequence that increases the overall flexibility of  the Ndc80 rod. a) and b) adapted from38. C) The core microtubule‐attachment site. The association  between the Mis12 complex and KNL1 generates a binding site for the Ndc80 complex. Both KNL1  and the Ndc80 complex directly bind to microtubules. Adapted from36

 

     

(23)

 

Besides to its crucial function in establishment of stable kinetochore‐microtubule  interactions,  the  Ndc80  complex  is  involved  in  the  correction  of  improper  attachments  e.g.  merotelic  attachment  (a  sister  is  attached  to  both  poles)  to  amphitelic (each of the two opposing sister kinetochores is bound to microtubules  originating  from  the  proximal  pole).  In  particular,  AuroraB  dependent  phosphorylation of the Ndc80 subunit decreases the microtubule‐binding affinity of  this complex, which provides a potential direct mechanism for eliminating incorrect  kinetochore–microtubule attachments47

1.4.3 Mechanism underlying chromosome congression 

Following attachment to the spindle, chromosomes oscillate and migrate to the  spindle equator, a process termed “congression”52 

The multiplicity of interactions between chromosomes and microtubules correlates  with the various forces that drive chromosome movements during mitosis; below I  briefly outline the underlying mechanisms and forces that act on chromosomes  during their alignment.  

1.4.3.1 Search and Capture Model 

In this model, centrosome‐nucleated microtubules probe the three‐dimensional  space until they are captured and stabilized by one of the sister kinetochores on a  chromosome. These chromosomes are termed ‘‘monooriented’’ because they are  attached to a single spindle pole and oscillate back and forth but remain closely  associated  with  one  pole  until  the  chromosome  becomes  bioriented  through  interaction  with  microtubules  from  the  opposite  pole.  Once  bioriented,  chromosomes then rapidly move toward the spindle equator by the action of  microtubule depolymerization at the leading kinetochore, perhaps coupled to the  action of kinetochore‐associated microtubule motors such as centromere‐associated  protein E (CENP‐E) and cytoplasmatic dynein where they continue to oscillate52‐53.  

(24)

1.4.3.2 Polar ejection forces 

Movements toward a pole are opposed by “polar ejection forces” (PEFs) that push  the arms of chromosomes away from the spindle poles54. The majority of this force  is generated by Kid, a subfamily of chromokinesin motors55‐57, that dynamically  localizes on the chromosome arms where it can position the arms at the spindle  equator58‐59.  Inhibition of Kid function in  cultured  cells  abolished chromosome  oscillation on both monopolar and bipolar spindles57‐58. Moreover, in the absence of  Kid function, chromosomes were unable to maintain their distance from monopolar  spindle poles, suggesting that the poleward force at the kinetochore dominates in  the absence of the polar ejection force and drags the chromosome into the pole. As  chromosome oscillations were eliminated after Kid inhibition, it follows that the  polar ejection force regulates switching of kinetochores between poleward and  neutral states56‐57; 59.  

 

 

    

(25)

 

 

Fig 1.4.3 Congression models for chromosome bi‐orientation. A) mono‐oriented chromosome  becomes bi‐oriented when a microtubule from the opposite pole is captured by a kinetochore. As the  chromosome begins to congress towards the spindle equator in the direction of the dashed arrow,  the leading kinetochore is associated with thinner kinetochore (k)‐fiber, whereas the lagging  kinetochore is associated with thicker k‐fiber. The chromosome then becomes aligned at the  spindle equator. B) Microtubules are nucleated from the k‐fiber (left). These k‐fiber microtubules get  incorporated into the spindle proper through the action of minus end‐directed motors that slide the  k‐fiber along spindle microtubules. C) In the traction‐fiber model, the position of the chromosome is  dictated by the amount of force exerted on each k‐fiber (indicated by the relative sizes of the dashed  arrows). The forces on each sister kinetochore are balanced at the spindle equator.Adapted from1  

1.4.4 Kinesins function in chromosome positioning 

Due to their ability to convert chemial energy into mechanical force molecular  motors have been considered ideal candidates for generating the forces involved in  chromosome movements during mitosis60.  

The first evidence that motors drive chromosome motility, was associated with a  failure in  chromosome congression after depletion of CENP‐E61‐62. Kinetochore‐

associated CENP‐E, a kinesin‐7 family member, is a plus end‐directed dimer, with  an N‐terminal motor domain and an internal coiled‐coil dimerization domain. It  promotes the end‐on connection between k‐MTs and the kinetochore and promotes  chromosome congression to the spindle center by moving unattached kinetochores  along k‐fibers of other already bioriented  chromosomes63

MCAK, a member of the kinesin‐13 family, is enriched in the inner centromere  region  of  mitotic  chromosomes.  With  its  potent  microtubule  depolymerizing  activity, MCAK facilitates k‐fiber microtubule turnover and error correction by  antagonizing microtubule attachment at the kinetochore20

 

(26)

 

The kinesin‐4 and kinesin‐10 members Nod and Kid, respectively, are plus end‐

directed  kinesins,  with an N‐terminal motor domain and a  C‐terminal DNA‐

binding domain. They promote congression either by facilitating the maintenance  of  a  track  for  plus‐end  directed  motility,  or  by  facilitating  microtubule  polymerization,  an activity which is likely to be capable of producing a polar  ejection force20; 63

1.4.4.1 The essential role of human kinesin‐8, Kif18A, in mitotic chromosome  alignment 

 

Genetic and siRNA based studies from a variety of organism revealed that kinesin‐

8s are implicated in mitotic chromosome alignment21‐22; 24; 28; 31; 64‐65. High‐resolution live  cell imaging combined with quantitative measurements of kinetochore movements   indicated that Kif18A controls the persistent movement of chromosomes by both  increasing  the  rate  at which  they  make  directional  switches and slowing the  velocity of their movements at the plus ends of kinetochore microtubules (kMTs)24.  Furthermore, Kif18A’s accumulation on kMTs and its ability to suppress oscillatory  movements are dependent on its motor activity and vary within the spindle. Based  on this data, Stumpff and colleagues proposed a model in which Kif18A utilizes a  combination  of  length‐dependent  plus‐end  accumulation  and  concentration‐

dependent modulation of kMT plus‐end dynamics to affect kinetochore velocity  leading to controlled mitotic chromosome positioning24

A more recent report using an automated 4D live cell assay for systematic probing  of HeLa kinetochore dynamics suggested that Kif18A together with MCAK and  possibly other regulators of MT stability and turnover primarily sets the speed of  kinetochore oscillations. Their data led them propose that MCAK preferentially  promotes  depolymerization  of  MTs  at  the  leading  sister,  whereas  Kif18A  preferentially  promotes  depolymerization  at  the  lagging  sister,  generating  resistance  to  the  sister  pair  movement, leading  to  processive  thinning  of the  metaphase plate66

(27)

 

A      B 

           

      

C      D      

 

                 

Fig 1.4.4 Models for congression involving microtubule‐ and motor‐based forces. A) Plus end‐

directed kinetochore‐associated motors, such as centromere‐associated protein (CENP‐E), have  been implicated in chromosome movement towards the spindle equator. B)  Cytoplasmic dynein, a  minus end‐directed motor, contributes to the movement of laterally associated kinetochores towards  spindle poles during early mitosis. Although only laterally attached kinetochores are depicted,  dynein can also contribute to the polewards movement of chromosomes, the microtubules of which  are attached in an end‐on manner. C) Motors, such as KID (also known as Kif22) or other  chromokinesins, associated with chromosome arms could drag a chromosome towards the spindle  equator. D) Forces associated with polymerizing microtubules could push a chromosome towards  the spindle equator during congression. Adapted from1

   

1.4.5 Chromosome directional instability 

One remarkable aspect of chromosome motility is that chromosomes exhibit an  oscillatory behaviour, whereby they move both towards and away from the spindle  equator  throughout  all  stages  of  mitosis1.  This  oscillatory  behaviour,  termed  directional instability, was initially thought to result from coordinated  

 

(28)

 

polymerization  dynamics  on  the  two  sister  kinetochores,  with  the  switch  mechanism controlled by tension at each sisterkinetochore54; 67‐69. However, mono‐

oriented chromosomes also exhibit oscillatory behaviour, implying that oscillations  can be supported by a single attached kinetochore54. Not all forces for directional  switching are associated with kinetochores. Inhibition of the chromosomal arm‐

associated kinesin KID resulted in a suppression of chromosome oscillations57. In  support of this, mathematical models predict a major contribution from forces  associated with chromosome arms in directional instability70. The observation that  perturbation of the polar ejection force by severing a chromosome arm results in an  increased amplitude of the remaining kinetochores suggests that the forces on  chromosome arms actually lead to tension at the leading kinetochore, which in turn  affects the oscillatory behaviour56; 70.  

It is currently unclear, if the coordination between the two sisterchromatids is an  important part of this behaviour. One potential protein which coordinates the two  sisters, is MCAK, a nonmotile microtubule depolymerase. Depletion of   MACK  disrupted the coordinated behaviour of sister kinetochores during chromosome  oscillations71

1.5 Regulation of mitotic progression by mitotic kinases  1.5.1 Mitotic kinases regulate progression through M‐phase 

At  the  molecular  level  mitotic  progression  is  mainly  driven  by  two  post‐

translational  mechanisms:  reversible  protein  phosphorylation  and  irreversible  proteolysis.  

The key mitotic regulator is Cdk1 (Cyclin dependent kinase 1), a heterodimeric,  proline‐directed serine/threonine kinase, consisting of a catalytic Cdk subunit and  an activating Cyclin subunit (Cyclin A or B).  

   

(29)

 

Active Cdk1 requires binding of cyclinB1 and phosphorylation on the activation  segment (T loop) by a CDK‐activating kinase (CAK) and dephosphorylation at two  residues  (Thr14  and  Tyr15)  in  the  ATP  binding  site,  by  the  dual‐specificity  phosphatase Cdc25C39; 72.  

Once activated, Cdk1‐cyclinB1 can promote its own full and rapid activation in a  positive feedback loop: both by phosphorylating and thereby further activating  Cdc25C and by phosphorylating its inhibitory kinase Wee1, leading to inhibition of  the enzymatic activity73‐74. Cdk1 promotes entry and progression through mitosis by  phosphorylation of various substrates. It is involved in chromosome condensation  by the phosphorylation of condensins, phosphorylation of lamins leads to their  depolymerisation and finally to nuclear envelope breakdown75‐76. Other substrates  are MT‐associated proteins and kinesin‐related motor proteins.  

Cdk1 collaborates with other mitotic kinases in the regulation of mitosis. One of the  most prominent ones is Plk1 (Polo‐like kinase 1)77‐78. Common among all Polo  kinases is their highly conserved serine/threonine kinase domain in the N‐terminus  and two (or one in the case of Plk4) conserved so called Polo‐boxes (PBD) in the C‐

terminus. Similar to structurally related kinases, Plk1 activity is also regulated by  phosphorylation of a residue (Thr210) within the so‐called activation loop79.This  phosphorylation event correlates with mitotic entry, and on the molecular level  presumably stabilises the activation loop in an open conformation and, in addition,   prevents  the  binding  of  the  PBD80.  Proteomic  studies  using  oriented  peptide  libraries have shown that the two PBDs are crucial for the localization of Plk1 to  cellular structures. This domain binds to specific phosphorylated sequence motifs  that are created by other priming kinases or are self‐primed by Plk1 itself, thus  providing an efficient mechanism to regulate localization and substrate selectivity  in time and space81‐83. Plk1 subcellular localisation becomes most evident during  mitosis and shows a very dynamic pattern.  

   

(30)

 

Plk1 localises to the centrosomes and spindle poles from prophase to metaphase, to  the kinetochores from prometaphase and redistributes to the central spindle and  midbody during anaphase and cytokinesis81; 84. In line with its dynamic localisation  to different mitotic substructures, Plk1 has been shown to be required for several  steps during mitotic progression.  

Several lines of evidence suggest that Plk1 is involved in the regulation of mitotic  entry, in centrosome maturation and separation, bipolar spindle formation, stability  of kinetochore microtubule attachments and cytokinesis77‐78; 84‐86.  

A       

 

 

 

 

Fig 1.5.1 Localization and function of Plk1 throughout mitosis in human cells. A) Domain  structure of human Plk1 (numbers delimiting domains correspond to amino acid positions). B)  Localization of Plk1 (green) throughout mitosis in human cells. Functions attributed to Plk1 are  indicated below the corresponding mitotic stages (NEBD, nuclear envelope breakdown). Plk1  substrates and interacting proteins are listed below the dashed line in boxes corresponding to Plk1  functions. Adapted from86

       

(31)

 

1.5.2 Regulation of kinesins by mitotic kinases    

Recent work has revealed regulatory mechanisms that control the activity of kinesin  motors  at  the  correct  place  and  time.  Posttranslational  modifications  e.g. 

phosphorylation by key mitotic kinases (Cdk1, AuroraB and Plk1) provides one  regulatory mechanism  to ensure the spatial and temporal accurancy of motor  driven events during cell division87‐89. Cdk1‐cyclinB1 phosphorylation on CENP‐E  (kinesin‐7) and EG5 (kinesin‐5) was shown to release autoinhibition87‐88.  

For kinesin‐7 motors phosphorylation of the inhibitory C‐terminal tail by MPS1  (monopolar spindle protein 1) and/or CDK1–cyclinB1 causes the motor to unfold, or  to adopt a less compact conformation, thereby increasing processive motility along  microtubules. As MPS1 is a component of CENP‐E’s cargo, the kinetochore, and  CDK1–cyclinB1 is active only during mitosis, coordinated phosphorylation by these  two kinases could provide spatial and temporal control over CENP‐E activation. 

For Kinesin‐5 motors, phosphorylation of Thr937 in the inhibitory C‐terminal tail by  CDK1‐cyclinB1 complex increases the efficiency of microtubule binding thereby  facilitating the association of kinesin‐5 with microtubules and hence, formation of  bipolar spindle assembly87; 90.  

A      B       

   

   

Fig 1.5.2 Regulation of CENP‐E via MPS1 and/or Cdk1‐cyclinB1 phosphorylation. A) Inactive  kinesin‐7, CENP‐E motors adopt a folded conformation that enables an inhibitory and direct motor‐

to‐tail interaction. B) Autoinhibition of the Kinesin‐7 family member CENP‐E can be relieved by  phosphorylation of the inhibitory tail domain by the kinases MPS1 and Cdk1–cyclinB1 results in  processive motility on microtubules. Adapted from90

(32)

Aim of work 

While it is well established that the dynamic behaviour of microtubules is key to the  fast  capture of chromosomes and their  alignment  the underlying mechanisms  remain largely unknown. The final goal of my PhD project is to dissect the precise  function and regulation of Kif18A in regulating microtubule dynamics and thus to  provide novel insights into the process of chromosome congression during the early  stages of mitosis. 

                 

 

                                               

Referenzen

ÄHNLICHE DOKUMENTE

The sequential triple combination with increasing concentrations of paclitaxel and 20 nM BI6727 for 24 hours followed by 10 μM pro TAME for additional 24 hours reduced the IC 50

When fighting cancer, small molecule inhibitors of mitotic kinesins are tested as chemotherapeutics (see 1.3.5.). This makes TbKif13-1 an excellent potential drug target for

Tsunematsu and colleagues have demonstrated in vivo that Fbxw8 can interact with Skp1-Cul1-Rbx1 (via its F-box domain) and Cul7 (via its C- terminal portion) at the same

6.1 Workflow for the identification of FMNT specific genes 90 6.2 The known molecular markers of motor neuron classes and types 92 6.3 The expression of Dlk1 in

For chimeras with the catalytic domain of β 4GalNAcTB, the lacdiNAc epitope on the cell surface was only detectable in presence of the stem region the B enzyme and in co-

Several lines of evidence show that it is involved in the turnover of all populations of cellular microtubules, interphase cytoplasmic, mitotic and astral microtubules: (i) ∆kipB

According to Boulikas (1994) postulate, the basic region of transcription factors often contains potential nucleus localization signals, although in the case of the bHLH

The ribosome also undergoes many structural changes throughout the translocation cycle: (i) 30S subunit ratcheting, which can take place spontaneously and is correlated to hybrid