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Characterization of Schizosaccharomyces pombe chromosome condensation factor Zas1

Schiklenk, Christoph

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Abstract

Pro Sekunde teilen sich mehr als 3 Millionen Zellen im menschlichen Körper (Notta et al., 2016). Bei jeder dieser Zellteilungen muss die korrekte Verteilung der Chromosomen - die Träger der genetischen Information - gewährleistet werden. Ist die Verteilung der genetischen Information ungleichmäßig, z. B. aufgrund eines fehlenden oder überschüssigen Chromosoms, kommt es zum Tod der betroffenen Tochterzelle oder Krebs. So hat sich eine faszinierend zuverlässige Machinerie entwickelt, die in der Mitose die etwa 2 Meter menschlicher DNA zuerst eng verpackt und dann an die Zellpole transportiert, sodass sich die etwa 20 Mikrometer große Zelle durchschnüren kann. Die Kompaktierung des Chromatins - genannt Chromosomenkondensation - ist eines der am wenigsten verstandenden Prozesse der Zellteilung. Um die Chromosomenkondensation besser untersuchen zu können, ist ein Mikroskopie basiertes Chromosomenkondensationsmessverfahren in der Spalthefe S. pombe entwickelt worden, welches auf spezifischer Fluo- reszenzmarkierung zweier Loci beruht. Mittels dieses Messverfahrens wurden aus einer Kollektion zufälliger, wärmeempfindlicher Mutanten drei Allele des zuvor kaum charakterisierten Gens zas1 identifiziert, bei denen die Chromosomenkondensation beeinträchtigt ist (Petrova, 2012). In der vorliegenden Arbeit charakterisiere ich zas1 und zeige, das seine Funktion von seinen Zinkfinger Domänen und einer kurzen, E2F-ähnlichen Peptidsequenz, welche zuvor noch nie in Einzellern beschrieben wurde, abhängt. Ich stelle fest, dass Zas1 die Transkription der Condensin-Untereinheit Cnd1 reguliert, was den Kondensationsdefekt in zas1 Mutanten erklärt. Damit wird zum ersten Mal ein Transkriptionsfaktor für eine Condensin-Untereinheit in S. pombe beschrieben. Im zweiten Teil der Arbeit verbessere ich das Chromosomenkondensationsmessverfahren, indem ich die rechnergestützte Bildverarbeitung und Datenanalyse weitestgehend automatisiere. Diese Optimierungen ermöglichen es, die Variabilität zwischen Experimenten zu messen. Gleichzeitig offenbart sich ein positiver Zusammenhang von Kondensationsrate mit der Distanz zwischen den Fluoreszenzmarkierungen. Diese Korrelation zeigt, dass die Kondensationsaktivität entlang des Chromosomenarms verteilt ist. Weitere Optimierung der Mikroskopkonfiguration und die Verbesserungen in der Datenverarbeitung erlauben es, die longitudinale Verkürzung der Chromosomen auf Einzelzellebene aufzulösen. Dies führt zur Beobachtung von longitudinalen Oszillationen und offenbart, dass die Kondensation linear verläuft. Schließlich etabliere ich eine verbesserte Version der Chromatin Markierung, indem ich nicht-rekombinierbare Tetracyclin Operator Wiederholungssequenzen für S. pombe adaptiere.

Translation of abstract (English)

Every second, more than three million cells divide in the human body (Notta et al., 2016). Whenever a cell divides, it segregates its genetic information encoded on its chromosomes to its daughter cells. Failure to successfully segregate chromosomes can compromise viability of the daughter cells or lead to cancer. Therefore, a complex cell division machinery has evolved that first compacts the two meters of human DNA and then distributes it to the cell poles, before the approximately 20-micron-diameter human cell splits into two genetically identical daughter cells. This compaction of chromatin – called chromosome condensation – is one of the least understood processes of cell division. In order to be able to probe chromosome condensation, a microscopy-based chromosome condensation assay had been developed in the fission yeast S. pombe, which employs locus-specific labeling. A screen using this assay identified three alleles conferring temperature sensitivity of the poorly characterized gene zas1 in which chromosome condensation is defective (Petrova, 2012). In this thesis, I characterize zas1 and show that its function depends on its zinc finger domains and an E2F-like short linear motif peptide sequence, which had not been reported previously in unicellular organisms. I discover that Zas1 enhances the transcription of the condensin subunit cnd1, explaining the condensation defect in zas1 mutants. This is the first report of a transcription factor for a condensin subunit in S. pombe. In the second part of the thesis, I improve the chromosome condensation assay by creating a computational pipeline for automated image processing and data analysis. These optimizations allow me to probe experiment-to-experiment variability and reveal a positive correlation between chromosome label spacing and condensation rate. This correlation shows that the activity of condensation is distributed along the chromosome arm. Optimization of the microscopy setup and the computational pipeline also allow me to resolve the axial contraction of chromosomes during mitosis at the single cell level. I observe linear compaction and minute-scale oscillations before final compaction. Finally, I establish improved versions of the chromatin labels by adapting non-recombinable tetracyclin operator arrays for S. pombe.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Pepperkok, Dr. Rainer
Date of thesis defense: 29 November 2016
Date Deposited: 16 Dec 2016 11:33
Date: 2017
Faculties / Institutes: The Faculty of Bio Sciences > Dean's Office of the Faculty of Bio Sciences
Service facilities > European Molecular Biology Laboratory (EMBL)
Subjects: 570 Life sciences
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