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The molecular mechanism of surface contraction waves in the starfish oocyte

Bischof, Johanna

German Title: Der molekulare Mechanismus der Oberflächenkontraktionswellen in Seesterneizellen

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Abstract

The cortex is a contractile cross-linked network of actin filaments and myosin motors lining the plasma membrane. It defines the shape of animal cells, and regulated changes in cortex mechanics drive many cellular processes, including cell migration and division. The molecular mechanisms controlling cortical contractility in space and time are therefore essential for cell physiology, but are still not well understood. During cell division, in cytokinesis, tightly controlled changes to cortical contractility separate the two daughter cells. When very large cells undergo cell divisions, they exhibit highly stereotypical patterns of cortical contractility, termed surface contraction waves (SCWs). These waves occur in cells of a wide variety of species and move across the cells immediately prior to the division. The molecular mechanisms underlying this striking phenomenon are not known. I set out to investigate SCWs in starfish oocytes, which display a prominent contraction wave during meiotic division that can be imaged live using fluorescence microscopy. Combined with quantitative image analysis, this allowed me to correlate cell shape changes with the localization of key cortical and cell cycle proteins in untreated oocytes and following biochemical and physical manipulations. I find that morphologically the contraction wave is a band of flattening that forms at the vegetal pole and moves across the cell to the animal pole. The flattening is driven by increased cortical contractility induced by localisation of myosin II to the cortex. Myosin II recruitment is controlled by RhoA kinase and RhoA, which in turn is activated by release of its inhibition by the cell cycle kinase, cdk1-cyclin B. Importantly, I could show that cdk1-cyclin B activity forms a gradient along the animal-vegetal axis originating from accumulation of cdk1-cyclin B in the nucleus which is located at the animal pole. Therefore, as cyclin B is degraded, the bottom threshold of cdk1 activity will be reached first opposite of the animal pole, marking the starting point of the contraction wave. The gradient of cdk1-cyclin B activity furthermore controls the progression of the contraction wave across the cell. Additionally, I show that feedback internal to the downstream signalling network contributes to defining the speed of the wave and determines the width of the band of activity. Overall, this data for the first time establishes the molecular mechanisms underlying SCWs, a phenomenon observed in oocytes of many species. I show that the contraction wave is driven by the highly conserved RhoA-Rok-Myosin II pathway, and is patterned in space and time by an activity gradient of cdk1 as well as feedbacks internal to the signalling pathway. My work thereby reveals how this biochemical signalling network can define a spatially and temporally complex cellular behaviour.

Translation of abstract (German)

Der Zellkortex ist ein kontraktiles dicht verknüpftes Netz aus Aktinfilamenten und Myosin- Motorproteinen, welches unterhalb der Zellmembran liegt. Der Kortex definiert die Form aller tierischen Zellen. Kontrollierte Veränderungen in der Kortexmechanik steuern viele zelluläre Vorgänge wie Zellmigration und Zellteilung. Auch wenn die molekularen Mechanismen, die die Kontraktilität des Kortexes lokal und temporal kontrollieren, für die Zellphysiologie essentiell sind, wissen wir noch wenig über sie. Während der Zellteilung führen straff kontrollierte Veränderungen in kortikalen Kontraktilität zur Spaltung der Zelle. Wenn sich sehr große Zellen teilen, zeigen sie in diesem Prozess stereotype Formen kortikaler Kontraktilität, die Oberflächenkontraktionswellen genannt werden. Diese Kontraktionswellen kommen in vielen verschiedenen Spezies vor und laufen kurz vor der Zellteilung über die gesamte Zelloberfläche. Die molekularen Mechanismen, die zu diesen eindrucksvollen Bewegungen führen, waren bisher nicht bekannt. Ich habe die Oberflächenkontraktionswellen in Seesterneizellen erforscht, da diese eine deutliche Kontraktionswelle während ihrer meiotischen Zellteilung zeigen, die mit Fluoreszenzmikroskopie live gut beobachtet werden kann. In Kombination mit quantitativer Bildanalyse konnte ich die Veränderungen der Zellform mit der Verteilung bedeutender Proteine des Zellkortex und des Zellzyklus jeweils in unbehandelten und biochemisch und physikalisch manipulierten Eizellen in Verbindung bringen. Ich fand heraus, dass die Kontraktionswelle entsteht, indem sich ein Band des abgeflachten Kortexes am vegetativen Pol der Zelle bildet und sich über die gesamte Zelle zum animalen Pol hin bewegt. Diese Abflachung wird durch die lokal steigende kortikale Kontraktilität ausgelöst, die durch eine Lokalisation von Myosin II Molekülen zum Kortex entsteht. Diese Ansammlung von Myosin II wird von der RhoA Kinase und RhoA gesteuert, welche wiederum selbst aktiviert werden, indem ihre Hemmung durch die wichtige Zellzykluskinase Cdk1-cyclin B aufgehoben wird. Ich konnte zeigen, dass die Aktivität von Cdk1-cyclin B einen Gradienten quer durch die Zelle entlang der animalen-vegetativen Achse bildet. Dieser entsteht durch die Ansammlung von Cdk1-cyclin B im am animalen Pol gelegenen Zellkern. Daher wird, während Cyclin B im Laufe des Zellzyklus abgebaut wird, der untere Grenzwert der Cdk1 Aktivität zuerst gegenüber des animalen Pols erreicht, wo sich der Startpunkt der Kontraktionswelle befindet. Des Weiteren kontrolliert der Gradient von Cdk1-cyclin B Aktivität die Ausbreitung der Welle über die gesamte Zelle hinweg. Außerdem konnte ich zeigen, dass ein Feedback auf dem Signalweg dazu beiträgt, die Geschwindigkeit mit der sich die Welle ausbreitet und die Breite des Aktivitätsbandes zu definieren. Die von mir hier vorgestellten Daten beschreiben zum ersten Mal die molekularen Mechanismen die den Oberflächenkontraktionswellen, einem weit verbreiteten Phänomen, welches in den Eizellen vieler Spezies vorkommt, zu Grunde liegen. Ich kann zeigen, dass die Kontraktionswellen von der hoch konservierten Signalkaskade RhoA-Rok-Myosin II kontrolliert werden und dass sie in ihrem räumlichen und zeitlichen Auftreten sowohl durch einen Gradienten von Cdk1 Aktivität als auch durch internes Feedback auf dem Signalweg bestimmt werden. Meine Arbeit zeigt daher, wie ein biochemisches Signalsystem solch ein räumlich und zeitlich komplexes Zellverhalten hervorrufen kann.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Aulehla, Dr. Alexander
Date of thesis defense: 15 June 2016
Date Deposited: 26 Jul 2016 08:30
Date: 2016
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Subjects: 500 Natural sciences and mathematics
570 Life sciences
590 Zoological sciences
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