Dissecting the molecular regulation of chromosome axis formation and sister chromatid cohesion during meiosis in Arabidopsis thaliana

Abstract

Meiosis is of central importance for sexually reproducing organisms as it allows for recombination of homologous chromosomes and halves the chromosome content of meiocytes, thus producing reduced gametes with different genetic make up. In plants, any aberration of meiosis could result in the production of aneuploid progeny, reduce plant fertility and thus decrease yield. Therefore, understanding the mechanisms and regulation of meiosis is essential for plant breeding and food supply. To warrant an accurate course of meiotic events, many unique meiotic features have evolved including the formation of a meiosis-specific type of sister chromatid cohesion and the assembly of a chromosome axis, which functions to ensure chromosome recombination and thus the faithful distribution of chromosomes to daughter cells. In this dissertation, I investigated the molecular regulation of chromosome axis formation and sister chromatid cohesion and could reveal new mechanisms of regulation. First, the regulatory mechanism of sister chromatid cohesion in meiosis was studied. Cohesin, a conserved proteinaceous complex that creates cohesion, embraces the sister chromatids and establishes a physical structure on which other meiotic regulators can act, thus ensuring an accurate meiosis. The functional cohesin relies on its dynamic chromosome association that is under a spatiotemporal control. Here, combining biochemical, genetic and cytological approaches with live cell imaging, I demonstrate that SWITCH 1/DYAD, a cohesin regulator of yet unknown molecular function, identified two decades ago, defines a novel WINGS APART-LIKE (WAPL) antagonist that acts in the maintenance of sister chromatid cohesion in early meiotic prophase I. Second, I focused on understanding the role of cyclin-dependent kinase CDKA;1 in meiosis, especially in the formation of the chromosome axis. In this study, I have identified ASYNAPTIC 1 (ASY1), a key component of chromosome axis, as a phospho-target of CDKA;1. I show that phosphorylation of ASY1 is required for its chromosome association by promoting its binding affinity towards ASYNAPTIC 3 (ASY3), another axial component, counteracting the disassembly activity of the AAA+ ATPase PACHYTENE CHECKPOINT 2 (PCH2). Furthermore, I have identified the closure motif in ASY1, typical for HORMA domain-containing proteins, and provide evidence that the phosphorylation of ASY1 regulates the putative self-polymerization of ASY1 along the chromosome axis. Hence, the phosphorylation of ASY1 by CDKA;1 appears to be a two-pronged mechanism to initiate chromosome axis formation in meiosis. Taken together, this work provides insights on understanding the complex regulation of meiosis in plants, especially on the regulation of meiotic chromosome axis formation and sister chromatid cohesion.

Meiose ist von zentraler Wichtigkeit für sich sexuell reproduzierende Organismen, da sie die Rekombination homologer Chromosomen ermöglicht sowie den Chromosomensatz der Meiozyten halbiert und so die Produktion von Gameten mit unterschiedlicher genetischer Ausstattung ermöglicht. In Pflanzen können Fehler in der Meiose zur Erzeugung aneuploider Nachkommen führen, die verringerte Fertilität aufweisen und so den Ertrag mindern. Daher ist es für die Pflanzenzüchtung und somit auch die Nahrungsversorgung wichtig, die grundlegenden Mechanismen der Regulation der Meiose zu verstehen. Um einen korrekten Ablauf dieser besonderen Zellteilung zu garantieren, haben sich im Laufe der Evolution viele spezifische Charakteristika entwickelt, wie z.B. eine Meiose-eigene Kontrolle der Schwesterchromatidkohäsion sowie die Bildung einer Chromsomenachse, die die chromosomale Rekombination und damit die akkurate Verteilung der Chromosomen auf die Tochterzellen gewährleisten. In dieser Dissertation habe ich die molekularen Mechanismen der Ausbildung der Chromsomenachse und der meiotischen Schwesterchromatidkohäsion untersucht und konnte neue Regulationsmechanismen aufzeigen. Zunächst habe ich den regulatorischen Mechanismus der Schwesterchromatidkohäsion in der Meiose analysiert. Kohäsin, ein konservierter Proteinkomplex, der die Kohäsion ermöglicht, umschließt die Schwesterchromatiden und dient als Strukturelement, das mit anderen meiotischen Regulatoren interagiert, um so den fehlerfreien Ablauf der Meiose sicherzustellen. Die Funktion von Kohäsin hängt von seiner dynamischen Chromosomenassoziation ab, die räumlich und zeitlich kontrolliert wird. Hier zeige ich, durch Kombination biochemischer, genetischer sowie zytologischer Methoden mit Live Cell Imaging, dass SWITCH 1/DYAD, ein Kohäsinregulator unbekannter molekularer Funktion, der vor zwei Jahrzehnten identifiziert wurde, einen neuen WINGS APART-LIKE (WAPL)-Antagonisten darstellt, der die Schwesterchromatidkohäsion in der frühen meiotischen Prophase I aufrechterhält. Der zweite Teil meiner Arbeit befasst sich mit der Rolle der Cyclin-abhängigen Kinase CDKA;1 in der Meiose, insbesondere im Rahmen der Ausbildung der Chromosomenachse. In diesem Zusammenhang konnte ich zeigen, dass ASYNAPTIC 1 (ASY1), eine Schlüsselkomponente der Chromsomenachse, ein Phosphorylierungssubstrat von CDKA;1 darstellt und dass die Phosphorylierung von ASY1 für dessen Chromosomenassoziation benötigt wird, indem es die Bindungsaffinität für das axiale Protein ASYNAPTIC 3 (ASY3), erhöht und so der Abbauaktivität der AAA+ ATPase PACHYTENE CHECKPOINT 2 (PCH2) entgegenwirkt. Darüber hinaus habe ich das sogenannte „Closure Motif“, das für Proteine mit HORMA-Domäne typisch ist, in ASY1 lokalisieren können und zeige, dass die Phosphorylierung von ASY1 dessen putative Selbstpolymerisation entlang der Chromosomenachse reguliert. Folglich scheint die Phosphorylierung von ASY1 durch CDKA;1 ein dualer Mechanismus zu sein, um die Ausbildung der Chromosomenachse in der Meiose zu initiieren. Zusammenfassend gibt diese Arbeit Aufschluss über verschiedene Aspekte der komplexen Mechanismen der pflanzlichen Meiose, insbesondere über die Regulation der Ausbildung der Chromosomenachse und der Schwesterchromatidkohäsion.