DISS. ETH NO. 22360
SPATIAL ORGANIZATION OF THE MITOTIC SPINDLE
AND CHROMOSOME MOVEMENTS
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
IVANA GASIC
Graduate Molecular Biologist and Physiologist
Born on 28.08.1985
Citizen of Serbia
Accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Vikram Panse
Prof. Dr. Patrick Meraldi
Prof. Dr. Monica Gotta
2014
SUMMARY
Mitosis is probably the most dramatic part of the cell cycle during which a
dividing cell undergoes a complete structural re-arrangement: the condensed
chromosomes are no longer protected by the nuclear envelope and they bind to
the bipolar mitotic spindle. Numerous proteins bind to the mitotic spindle and the
chromosomes to altogether coordinate chromosome alignment onto the
metaphase plate and even partition between the two daughter cells in anaphase
(Sharp 1934).
It has been well established that the source of energy and force needed for
chromosome movements during mitosis is the dynamic instability of the
kinetochore-microtubules and kinetochore’s microtubule depolymerizing activity
(Mitchison et al. 1986; Hyman & Mitchison 1990; Grishchuk et al. 2005; Dumont et
al. 2012). Based on this knowledge several models that explain chromosome
movements were proposed (Hill 1985; Joglekar & Hunt 2002; Vladimirou et al.
2011; Civelekoglu-Scholey & Scholey 2010). Yet, none of the models could
faithfully reproduce the pattern of chromosome movements observed in dividing
cells. In fact, all those models reduce the mitotic spindle to microtubules,
kinetochores and chromosomes as single units, neglecting the spatial organization
of the mitotic spindle and its other numerous components.
The aim of the study presented in this thesis was to elucidate how the
spatial organization of the mitotic spindle contributes first to chromosome
movements towards and on the spindle equator and subsequently to the two
nascent daughter cells.
In this thesis I show that chromosomes that are aligned on the metaphase
plate undergo coordinated oscillatory motion, where neighboring chromosomes
tend to move in the same direction. This coordinated movement is limited by the
5 motor activity of Eg5, which crosslinks neighboring kinetochore-microtubules. I
further show that positioning the metaphase plate exactly in the middle of the
mitotic spindle ensures symmetric partition of the cytoplasm between the two
daughter cells in anaphase. Conversely, positioning every chromosome exactly in
the middle of the mitotic spindle onto a narrow metaphase plate does not
contribute to mitotic fidelity. Chromosome alignment, oscillations along the spindle
axis and segregation into the two daughter cells, however, depend on the inner
cellular environment as they are more robustly regulated in non-transformed than
in transformed cells. Moreover, non-transformed cells are more tolerant to different
perturbations, suggesting that the unity of all cellular components determines
cellular behaviors. Finally, I show that cells have mechanisms to distinguish the
attachment of chromosomes to the old and the young centrosome, which in the
case of compromised chromosome segregation drives the bias in chromosome
gain towards the cell that inherits the old centrosome. This bias is conserved from
yeast to man and it depends on the higher stability of microtubules that emanate
from the old centrosome. This difference in the stability of the microtubules also
delays chromosome alignment at the half-spindle associated with the old
centrosome. Together those data again suggest that information gathered from the
cellular rather than subcellular context is integrated into the final chromosomal
behavior.
Taken together, the results of my PhD thesis reveal yet another layer of
complexity in the regulation of chromosome movements during mitosis. This
complexity involves communication between centrosomes, spindle microtubules,
microtubule-associated proteins and chromosomes, the main goal of which is the
birth of a healthy progeny.
6 ZUSAMMENFASSUNG
Mitose ist wahrscheinlich der dramatischste Abschnitt des Zellzyklus bei
dem sich die Zelle einer völligen strukturellen Umgestaltung unterzieht: die
kondensierten Chromosomen sind nicht länger von der Kernhülle geschützt und
binden an die bipolare mitotische Spindel. Zahlreiche Proteine binden die
mitotische Spindel und die Chromosomen, um zusammen die Anordnung der
Chromosomen in einer Metaphasenplatte und ihre gleichmässige Aufteilung auf
die beiden Tochterzellen in Anaphase zu koordinieren (Sharp 1934).
Es ist etabliert, dass die dynamische Instabilität der Kinetochor-Mikrotubuli
und die Kinetochor-Mikrotubili-Depolymerisierungsaktivität die Quellen der Energie
und Kraft sind, welche für die Chromosomen-bewegungen während der Mitose
benötigt werden (Mitchison et al. 1986; Hyman & Mitchison 1990; Grishchuk et al.
2005; Dumont et al. 2012). Basierend auf diesem Wissen wurden mehrere
Modelle, die die Chromosomenbewegungen erklären vorgeschlagen (Hill 1985;
Joglekar & Hunt 2002; Vladimirou et al. 2011; Civelekoglu-Scholey & Scholey
2010).
Dennoch,
keines
dieser
Modelle
kann
das
Muster
der
Chromosomenbewegungen einer sich teilenden Zellen zuverlässig darstellen.
Vielmehr reduzieren alle Modelle die mitotische Spindel, Mikrotubuli, Kinetochore
und Chromosomen auf Einheiten, die räumliche Organisation der mitotischen
Spindel und ihrer zahlreichen Komponenten vernachlässigend.
Das Ziel der vorgelegten Arbeit war es aufzuklären wie die räumliche
Organisation der mitotischen Spindel erstens zur Bewegung der Chromosomen
hin zum und innerhalb des Spindeläquators und folgend zu den entstehenden
Tochterzellen beiträgt.
In dieser Dissertation zeige ich, dass Chromosomen die in der
Metaphasenplatte angeordnet sind einer koordinierten oszillatorischen Bewegung
folgen, wo Nachbarchromosomen dazu tendieren sich in die gleiche Richtung zu
7 bewegen. Diese koordinierte Bewegung ist durch die Motoraktivität von Eg5
eingeschränkt, welche Kinetochor-Mikrotubuli-Nachbarn vernetzt. Weiterhin zeige
ich, dass die Positionierung der Metaphasenplatte exakt in der Mitte der
mitotischen Spindel die symmetrische Aufteilung des Zytoplasmas auf beide
Tochterzellen in der Anaphase sicherstellt. Umgekehrt trägt die Positionierung der
Chromosomen
in
Metaphasenplatte,
der
Mitte
nicht
der
zur
mitotischen
Spindel,
mitotischen
in
der
schmalen
Genauigkeit
bei.
Chromosomenanordnung, Oszillation entlang der Spindelachse und die Trennung
in zwei Tochterzellen hängt vom inneren zellulären Milieu ab, denn diese sind in
nicht-transformierten gegenüber transformierten Zellen enger reguliert. Darüber
hinaus sind nicht –transformierte Zellen toleranter gegenüber verschiedenen
Einflüssen, was darauf hindeutet das die Einheit aller zellulären Komponenten das
zelluläre Verhalten beeinflusst. Schliesslich zeige ich, dass Zellen über
Mechanismen verfügen, die die Anbindung der Chromosomen an das alte oder
das neue Zentrosom unterscheiden, welches im Falle einer beeinträchtigten
Chromosomentrennung tendenziell zu einem Chromosomengewinn bei der Zelle
mit dem alten Zentrosom führt. Dieser Trend ist von Hefe bis zum Menschen
konserviert und hängt von einer höheren Stabilität der vom alten Zentrosom
ausgehenden Mikrotubuli ab. Dieser Unterschied in der Mikrotubulistabilität
verzögert ausserdem die Ausrichtung der Chromosomen in der mit dem alten
Zentrosom assoziierten Halbspindel. Im Wesentlichen deuten diese Daten darauf
hin, dass die Informationen welche aus dem zellulären weniger dem subzellulärem
Kontext gewonnen werden in ein finales chromosomales Verhalten integriert
werden.
Zusammengefasst zeigen die Daten meiner Dissertation eine weitere
Ebene der Regulation der Chromosomenbewegung während der Mitose. Diese
Komplexität
beinhaltet
die
Kommunikation
zwischen
Zentrosomen,
Spindelmikrotubuli, mikrotubuli-assoziierten Proteinen und Chromosomen, mit
dem Ziel einen gesunden Nachkommen hervorzubringen.
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