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Abstract

Chromosome capture by microtubules is an early step of cell division essential for alignment and subsequent separation of sister chromatids. Failure to transmit even one chromosome results in aneuploidy, a common cause of infertility, genetic disorders or cancer.

The canonical mechanism of ‘search and capture’ by dynamic astral microtubules has been validated by recent studies, and additionally revealed mechanisms that facilitate microtubule search, ensuring rapid and efficient capture of chromosomes in somatic cells.

However, in specialized cell types such as oocytes with large nucleus chromosomes are located much further from microtubule asters. In these cells, the models that work in small somatic cells are insufficient to explain chromosome capture. Recently, the Lénárt group has shown that in starfish oocytes an actin-driven mechanism facilitates chromosome congression and is required to prevent chromosome loss: a contractile actin meshwork transports chromosomes to within the capture range of microtubule asters of approximately 30 µm. How these actin- and microtubule-driven mechanisms of chromosome capture are coordinated remained an open question.

Here, I investigated the cooperation between the actin meshwork transporting chromosomes and capture by microtubules in meiosis of starfish oocytes using high spatio-temporal resolution tracking of chromosome motion in 3D combined with drug-perturbation experiments. This assay allowed me to characterize chromosome capture kinetics during the two-staged chromosome congression under different conditions.

I find that the actin meshwork, while transporting the distal chromosomes to the vicinity of microtubule asters, also synchronizes their capture. I show that this synchronizing effect is due to an actin-dependent block of chromosome capture active for approx. 5 minutes after NEBD. As a result, chromosomes close to microtubule asters – that in principle could be captured immediately after NEBD – are captured simultaneously with chromosomes transported from distal nuclear locations by the actin meshwork at approx. 5-15 minutes after NEBD and independent of their distance from the asters.

I show that this delay in the capture of the proximally located chromosomes cannot be explained by altered microtubule dynamics when growing through the actin meshwork. The delay is also not the consequence of physical entrapment in the actin network ‘holding back’ chromosomes, because capture is not delayed in slowed or even fully stabilized actin networks.

Together, my results point to an actin-dependent mechanism, which prevents the formation of lateral kinetochore-microtubule attachments. Synchronous disassembly of these F-actin structures exposes kinetochores and thereby synchronizes chromosome capture. This is a first description of a mechanism by which the actin cytoskeleton directly affects spindle assembly, and which actively controls and coordinates chromosome search and capture. I show how this mechanism coordinates chromosome congression in the specialized oocyte nucleus, but it is interesting to speculate whether such mechanisms may have a broader relevance for example to synchronize mitotic events such as cell rounding mediated by the actin cytoskeleton with spindle assembly. The detailed molecular mechanism of how F-actin prevents chromosome-microtubule attachment remains an exciting open question for the future studies.

Translation of abstract (German)

Die Chromosomenerfassung durch Mikrotubuli ist ein früher Schritt der Zellteilung, die für die Ausrichtung und die anschließende Trennung von Schwesterchromatiden wesentlich ist. Wenn auch nur bei einem Chromosom die Übertragung versagt, führt dies zu einer Aneuploidie, einer häufigen Ursache für Unfruchtbarkeit, genetische Störungen oder Krebs.

Der kanonische Mechanismus der "Suche und Erfassung" durch dynamische Astralmikrotubuli wurde durch neuere Studien validiert und enthüllte zusätzlich Mechanismen, die die Mikrotubulumsuche erleichtern und so eine schnelle und effiziente Erfassung von Chromosomen in somatischen Zellen gewährleisten.

Allerdings sind in spezialisierten Zelltypen, wie Oozyten mit ihren großen Kernen, Chromosomen relativ weit von Mikrotubuli-Astern entfernt. In diesen Zellen sind die Modelle, die in kleinen somatischen Zellen funktionieren, nicht ausreichend, um die Chromosomenerfassung zu erklären. In jüngster Zeit hat die Lénárt-Gruppe gezeigt, dass in Seesternoozyten ein Aktin-abhängiger Mechanismus die Chromosomen-Kongression erleichtert und er außerdem notwendig ist um einen Chromosomenverlust zu verhindern: ein kontraktiles Aktinnetz transportiert Chromosomen innerhalb des etwa 30 µm großen Erfassungsbereichs von Mikrotubuliastern. Wie diese Aktin- und Mikrotubuli-abhängigen Mechanismen der Chromosomenerfassung koordiniert sind, blieb eine offene Frage.

Hier untersuchte ich die Kooperation zwischen dem Transport der Chromosomen durch das Aktinnetz und ihrer Erfassung durch Mikrotubuli in der Meiose von Seesternoozyten unter Verwendung einer zeitlich und räumlich hochauflösenden Methode zur Verfolgung der Chromosomenbewegung in 3D kombiniert mit chemischen Störungen der Zelle. Dieses Testverfahren erlaubte mir die Chromosomenerfassungskinetik während der zweistufigen Chromosomen-Kongression unter verschiedenen Bedingungen zu charakterisieren.

Ich habe herausgefunden, dass das Aktinnetz beim Transport der distalen Chromosomen in die Nähe der Mikrotubuliastern auch ihre Erfassung synchronisiert. Ich konnte zeigen, dass dieser Synchronisationseffekt auf eine aktinabhängige Verhinderung der Chromosomenerfassung zurückzuführen ist, welche für ca. 5 Minuten ab dem Zellkernhüllenabbau andauert. Dadurch werden Chromosomen in der Nähe von Mikrotubuliastern - die im Prinzip unmittelbar nach der Zellkernhüllenabbau erfasst werden könnten - gleichzeitig mit Chromosomen, die von distalen Stellen im Zellkernbereich durch das Aktinnetz transportiert wurden, ca. 5-15 Minuten nach NEBD und damit unabhängig von ihrer Entfernung von den Astern erfasst.

Eine veränderte Mikrotubulidynamik, die durch das Wachstum der Mikrotubuli durch das sich zusammenziehende Aktinnetz verursacht werden könnte, könnte die Verzögerung der proximalen Chromosomerfassung erklären. Allerdings konnte ich zeigen, dass diese Verzögerung nicht durch eine veränderte Mikrotubulidynamik erklärt werden kann. Die Verzögerung ist auch keine Konsequenz des physischen Einschlusses der Chromosomen im Aktinnetz, da die Erfassung in verlangsamten oder sogar vollständig stabilisierten Aktinnetzen nicht verhindert ist.

Zusammen zeigen meine Ergebnisse auf einen Aktin-abhängigen Mechanismus hin, der die Bildung von lateralen Kinetochor-Mikrotubuli-Befestigungen verhindert. Der synchrone Abbau dieser F-Aktin-Strukturen legt die Kinetochore frei und synchronisiert damit die Chromosomenerfassung.

Dies ist die erste Beschreibung eines Mechanismus, durch den das Aktin-Zytoskelett direkt den Spindelaufbau beeinflusst, und welcher die Chromosomensuche und -erfassung aktiv steuert und koordiniert. Ich zeige, wie dieser Mechanismus die Chromosomenkongression im spezialisierten Oozytenkern koordiniert. Solche Mechanismen könnten eine breitere Relevanz haben, wie beispielsweise um mitotische Ereignisse wie Zellrundung, die durch das Aktin-Zytoskelett mit Spindelanordnung vermittelt wird, zu synchronisieren. Der detaillierte molekulare Mechanismus, wie F-actin die Chromosomen-Mikrotubulus-Befestigung verhindert, bleibt eine aufregende offene Frage für zukünftige Studien.