Control of meiotic progression through cyclin-dependent kinase complexes in Arabidopsis thaliana

Abstract

Precise control of cell cycle progression is of key importance in maintaining genome stability in dividing cells. The cell cycle consists of a faithful order of events coordinating chromosome dynamics with cytoskeleton behavior to achieve cell growth and the formation of new daughter cells. In sexually reproducing organisms a special type of cell division, i.e. meiosis, is needed to keep the cellular DNA content stable over generations. In meiosis, a single round of DNA replication is followed by two rounds of chromosome segregation events, which result in a reduction of the genomic content by half. After meiosis, gametes can be formed which fuse in the process of fertilization to restore the original DNA amount in the offspring. Any deviations from normal meiosis could impair gamete function and thus compromise the future progeny. Hence, the control of the meiotic cell cycle program is of fundamental interest. Major regulators of cell cycle progression are cyclin-dependent kinase complexes. In this study I could show that the Arabidopsis central cell cycle regulator CDKA;1 together with the cyclin co-factor CYCB3;1 are key regulators of the microtubule cytoskeleton in meiosis. For full CDKA;1 activity, not only cyclin binding but also phosphorylation by Cdk-activating kinases (CAKs), i.e CDKD kinases is required. Combination of CAK mutants with a weak loss-of-function mutant in CDKA;1 revealed a plethora of phenotypes, including defects in chromosome segregation and microtubule organization during meiosis. Interestingly, a moderate reduction of CDKA;1 activity converted the simultaneous cytokinesis normally seen at the end of male meiosis in Arabidopsis into a successive cytokinesis as found in maize and other monocotyledonous species, where two cell division events, i.e. after meiosis I and after meiosis II occur. Additionally, live cell imaging upon treatment with the microtubule depolymerizing drug oryzalin revealed a novel function of CYCB3;1 in organizing microtubule arrays during meiosis. I was further involved in analyses, showing that the activity of CDKA;1 is central to meiosis-specific events taking place during prophase. First we could show that the CDKA;1-mediated phosphorylation of ASYNAPTIC 1 (ASY1) is required for chromosome axis formation. Second we provided evidence that, the phosphorylation of a cohesin regulator SWITCH 1/DYAD (SWI1) at late prophase is mediated by Cdk-cylin complexes corroborating the presence of a prophase pathway of cohesion removal in plants. Furthermore, the here generated fluorescent protein fusions of components of Cdk- cyclin complexes can be used as imaging tools to investigate stress response or to quantify cell cycle progression. This is exemplified by the specific localization of CDKA;1 under heat stress in structures called stress granules and by the time course of CYCB3;1 localization in combination with nuclear markers as a first attempt to establish a cell cycle hallmark system for live cell imaging in plants. Taken together, this work gives insights on understanding the role of Cdk-cyclin complexes during meiosis and moreover provides new tools to investigate cell cycle progression in plants.

Die genaue Kontrolle des Zellzyklus ist von großer Bedeutung für die Genomstabilität in sich teilenden Zellen. Der Zellzyklus besteht aus bestimmten Ereignissen, die unteranderem durch das Verhalten des Zytoskeletts und die Chromosomendynamik, das Zellwachstum und die Bildung von Tochterzellen sichern. Bei Organismen mit sexueller Fortpflanzung ist eine besondere Form der Zellteilung, die Meiose, für die stabile Aufrechterhaltung des DNA Gehalts über mehrere Generationen verantwortlich. Zu Beginn der Meiose wird die DNA repliziert und in zwei darauffolgenden Schritten halbiert. Im anschließenden Prozess der Fertilisierung wird der ursprüngliche DNA Gehalt wieder hergestellt. Jede Veränderungen in der Meiose können die Funktion der Gameten verändern und zukünftige Nachkommen beeinträchtigen. Daher ist die Kontrolle des meiotischen Zellzyklus von besonderem Interesse. Wichtige Regulatoren des Zellzyklus sind Cyclin-abhängige Kinasen (CDK). In dieser Arbeit konnte ich zeigen, dass der Zellzyklusregulator CDKA;1 zusammen mit dem Cyclin CYCB3;1 die Organisation des Mikrotubuli-Zytoskelett in der Meiose reguliert. Für die komplette CDKA;1 Aktivierung ist nicht nur die Bindung eines Cyclins nötig, sondern auch die Phosphorylierung durch Cdk- aktivierende Kinasen (CAKs), wie zum Beispiel durch CDKD. Durch die Kombination von CAK Mutanten mit schwachen loss-of function CDKA;1 Mutanten konnten unterschiedliche Phänotypen beobachtet werden. Beispielsweise zeigen Mutanten Defekte in der Chromosomenteilung und den Mikrotubuli. Besonders interessant ist, dass eine moderate Reduktion der CDKA;1 Aktivität, die simultane Zytokinese, die am Ende der männlichen Meiose stattfindet, in eine sukzessive Zytokinese umwandelt. Eine sukzessive Zytokinese ist charakteristisch für monokotyledone Pflanzen bei denen jeweils eine Zellteilung nach der ersten und zweiten meiotischen Teilung stattfinden. Darüberhinaus war ich an der Analyse beteiligt, die die zentrale Rolle von CDKA;1 für Ereignisse in der meiotischen Prophase 1 identifiziert hat. Als erstes haben wir gezeigt, dass CDKA;1 das Protein ASYNAPTIC1 (ASY1) phosphoryliert und damit für die Bildung der Choromosomachse unerlässlich ist. Zweitens konnten wir den Nachweis erbringen, dass die Phosphorylierung des Cohesin-Regulators SWITCH1/DYAD (SWI1) in der späten Prophase 1 durch Cdk-Cyclin Komplexe vermittelt wird. Diese Entdeckung führte zu der Schlussfolgerung, dass auch in Pflanzen ein Prophase Pathway zur Cohesin Entfernung existiert. Die in dieser Arbeit generierten Fluoreszenz Proteinreporter Fusionen der Cdk-Cyclin Komplexe, konnten bereits zur Analyse von pflanzliche Reakton auf Stress und zur Quantifizierung des Zellzyklusablaufs verwendet werden. So konnte beispielsweise durch die mikroskopische Analyse von CDKA;1 unter Hitzestress gezeigt werden, dass CDKA;1 in Strukturen, die Stress Granula genannt werden, lokalisiert. Des weiteren konnte mit einer Zeitreihe des CYCB3;1 Reporters in Kombination mit anderen Zellmarkern die ersten Versuche zur Etablierung eines Kennzeichensystems für den Zellzyklus, der auf der mikroskopischen Lebendzellanalyse in Pflanzen basiert, unternommen werden. Zusammenfasend vermittelt diese Arbeit neue Erkenntnisse über die Funktion der Cdk-Cyclin Komplexe in der Meiose und stellt neue Methoden zur Erforschung des Zellzyklusablaufs in Pflanzen bereit.