Dissecting the molecular mechanism of chromosome axis remodeling during meiosis in Arabidopsis thaliana and towards live cell imaging of meiosis in Zea mays

Abstract

Meiosis is a specialized cell division with a central role in the life cycle of all sexually reproducing organisms. It relies on a coordinated series of events, which results in recombination of homologous chromosomes and ensures the formation of gametes with half of the DNA content of the progenitor cell. In plants, aberration of meiosis can result in the production of aneuploid progeny, reduced fertility and thus, decreased yield. Therefore, understanding the mechanisms that regulate meiosis is of crucial importance for plant breeding and for meeting the increasing food demand. In this dissertation, I investigated the molecular mechanisms which control chromosome axis remodeling during meiosis in Arabidopsis thaliana and I established the basis of a live cell imaging technique to investigate meiotic chromosome dynamics in maize (Zea mays). The chromosome axis is a meiosis-specific protein assembly, built along the entire length of each homolog. HORMA domain proteins (HORMADs) are key components of the chromosome axis and their chromosomal association is dynamic, e.g., ASY1 in Arabidopsis is recruited to the axis at early prophase and later largely removed when homologous chromosomes synapse. However, how the dynamics of meiotic HORMADs are brought about is poorly understood. In this study, I identified COMET, the Arabidopsis homolog of human p31comet, which is known for its function in the Spindle Assembly Checkpoint (SAC), to be a central regulator of ASY1 dynamics in meiosis. I showed that COMET mediates the nuclear targeting of ASY1 in early prophase and later also promotes the release of ASY1 from the chromosome axes to allow full synapsis. Additionally, evidence is provided that COMET regulates ASY1 by serving as an adaptor for the AAA+ ATPase PCH2. In the second part of my thesis, I focused on developing a live cell imaging approach for studying meiosis in the crop model organism maize. So far, most studies on meiosis have relied on the analysis of fixed material, which, despite informative, can capture the underlying cellular dynamics only to a small degree. Conversely, live cell imaging represents a unique tool to investigate the temporal and spatial aspects and allows the observation of individual cells over time. For this purpose, I generated stable reporter lines for different genes of interest, which highlight hallmarks of meiosis, e.g., for DSY2, a component of the chromosome axis and for ZYP1, marking the central element of the synaptonemal complex. In total, 21 genomic constructs were cloned and have been transformed into maize. In addition, a live cell imaging protocol from Arabidopsis was adapted to maize, i.e., living anthers of maize were isolated, cultured on a suitable medium and imaged by confocal microscopy. The first live cell imaging data are based on the observation of DSY2 in living maize anthers, which could be kept alive for a period of 50 hours and allowed gaining insights into chromosome dynamics during prophase I. In combination with the other reporters, it will now be possible to investigate the dynamics of key meiotic events, such as pairing and synapsis, which numerous studies have demonstrated to be dependent on intense chromosome movements. Thus, this approach will allow studying maize meiosis from a spatio-temporal perspective, allowing new insights into this fundamental process in a monocotyledonous crop.

Meiose ist eine spezielle Form der Zellteilung mit einer zentralen Rolle im Lebenszyklus aller sich sexuell reproduzierenden Organismen. Es beruht auf einer koordinierten Abfolge von Ereignissen, die zur Rekombination homologer Chromosomen führen und die die Bildung von Gameten mit der Hälfte des DNA- Gehalts der Vorläuferzelle sicherstellen. In Pflanzen kann eine Aberration der Meiose zur Produktion aneuploider Nachkommen, einer verringerten Fruchtbarkeit und damit zu einem verringerten Ertrag führen. Daher ist das Verständnis der Mechanismen, die die Meiose regulieren, für die Pflanzenzüchtung und somit auch für die Deckung des steigenden Nahrungsbedarfs von entscheidender Bedeutung. In dieser Dissertation wurden die molekularen Mechanismen untersucht, die den Umbau der Chromosomenachse während der Meiose in Arabidopsis thaliana steuern. Darüber hinaus wurde die Grundlage zur Untersuchung der Dynamik meiotischer Chromosomen in Mais (Zea mays) mit Hilfe der Lebendzellbeobachtung („Live Cell Imaging“) gelegt. Die Chromosomenachse besteht aus einer Meiose-spezifischen Proteinanordnung, die sich über die gesamte Länge jedes homologen Chromosoms erstreckt. HORMA-Domänenproteine (HORMADs) sind Schlüsselkomponenten der Chromosomenachse und ihre chromosomale Assoziation ist dynamisch. So wird z.B. ASY1 in Arabidopsis in der frühen Prophase auf der Achse rekrutiert und später, wenn homologe Chromosomen den synaptomenalen Komplex ausbilden, weitestgehend entfernt. Wie die Dynamik meiotischer HORMAD Proteine reguliert wird, ist jedoch kaum bekannt. In dieser Studie wurde COMET, das Arabidopsis- Homolog des menschlichen p31comet, das für seine Funktion im Spindle Assembly Checkpoint (SAC) bekannt ist, als zentraler Regulator der ASY1-Dynamik während der Meiose identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass COMET das nukleare Targeting von ASY1 in der frühen Prophase vermittelt und später auch die Freisetzung von ASY1 aus den Chromosomenachsen fördert, um eine vollständige Synapse zu ermöglichen. Zusätzlich wurde der Nachweis erbracht, dass COMET ASY1 reguliert, indem es als Adapter für die AAA + ATPase PCH2 dient. Im zweiten Teil meines Projekts konzentrierte ich mich auf die Entwicklung eines „Live cell imaging“ Ansatzes zur Untersuchung der Meiose im Mais als weiteren Pflanzenmodellorganismus. Bisher stützten sich die meisten Studien zur Meiose auf die Analyse von fixiertem Material. Trotz vieler dabei gewonnener Informationen kann dabei die zugrunde liegende Zelldynamik nur in geringem Maße erfassen werden. Im Gegensatz dazu stellt das „Live Cell Imaging“ ein einzigartiges Werkzeug dar, um zeitliche und räumliche Aspekte zu untersuchen und die Beobachtung einzelner Zellen zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wurden Reporterlinien für verschiedene Gene hergestellt, die unterschiedliche Komponenten der Meiose hervorheben, z.B. für DSY2, eine Komponente der Chromosomenachse, und für ZYP1, dass das zentrale Element des synaptonemalen Komplexes markiert. Zusätzlich wurde ein „Live Cell Imaging“ Protokoll für lebende Zellen von Arabidopsis an Mais angepasst. Dazu wurden lebende Antheren von Mais isoliert, auf einem geeigneten Medium kultiviert und durch konfokale Lasermikroskopie analysiert. Die ersten „Live Cell Imaging“ Daten basieren auf der Beobachtung von DSY2 in Mais-Antheren, die über einen Zeitraum von 50 Stunden am Leben gehalten werden konnten und Einblicke in die Chromosomendynamik während der Prophase I ermöglichten. In Kombination mit den anderen Reportern wird es nun möglich sein, die Dynamik wichtiger meiotischer Prozesse wie Paarung und Synapsis zu untersuchen, von denen zahlreiche Studien gezeigt haben, dass sie von intensiven Chromosomenbewegungen abhängen. Dieser Ansatz ermöglicht es daher, die Meiose von Mais aus einer räumlich-zeitlichen Perspektive zu untersuchen und neue Einblicke in diesen grundlegenden Prozess in einer Monokotylen Pflanzenspezies zu erhalten.