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Septin- und Aktomyosindynamik während der Zellteilung von Ustilago maydis

Cdc42 and the Ste20-like kinase Don3 act independently in triggering cytokinesis in Ustilago maydis. J. Cell Sci., 121, 143-148
Source: OAI

ABSTRACT Die Zytokinese stellt den abschließenden Schritt der Zellteilung dar, bei der die physikalische Trennung von Mutter- und Tochterzelle vollzogen wird. Für deren fehlerfreien Ablauf spielt das genaue zeitliche und räumliche Zusammenwirken von Septin- und Aktomyosinstrukturen eine entscheidende Rolle. Der dimorphe Basidiomycet Ustilago maydis vollzieht Zytokinese und Zelltrennung durch die sukzessive Ausbildung zweier Septen. Dabei ist die Aktivität der Proteinkinase Don3 und die der kleinen GTPase Cdc42 essentiell für die Ausbildung des sekundären Septums. Die Wirkung und das Zusammenspiel beider Proteine bei diesem Prozess waren bisher unbekannt. Zentrales Ziel dieser Arbeit war es, die Dynamik der Septin- und Aktomyosin-strukturen während der Zellteilung von U. maydis zu studieren und deren Bedeutung für die Septierung zu verstehen. Durch Lokalisierung des Septins Cdc10 konnte gezeigt werden, dass bereits zu Beginn der Knospung eine Kragen-ähnliche Septinstruktur (Collar) zwischen der Mutter- und Tochterzelle erzeugt wird. Dieser Septincollar markiert die zukünftige Teilungsebene und rekrutiert zu Beginn der Zytokinese die septinspezifische Proteinkinase Gin4. Diese Kinase vermittelt den vollständigen Abbau der Septinstruktur und erzeugt dadurch einen septinfreien Bereich, der die spätere Fragmentierungszone definiert. Unmittelbar neben diesem Bereich wurde die sukzessive Ausbildung neuer Septincollars beobachtet. Zunächst bildete sich ein primärer Septincollar auf der Seite der Mutterzelle und anschließend ein sekundärer auf der Seite der Tochterzelle. Beide Strukturen definieren den Ort der Septenbildung und erfüllen eine vergleichbare Funktion für die Ausbildung des primären bzw. sekundären Septums: Durch die Verwendung des FCH Domänen-Proteins Cdc15 als fluoreszierender Marker konnte der Aufbau eines kontraktilen Aktomyosinrings am Ort des Septincollars beobachtet werden. Unmittelbar darauf erfolgt eine Umwandlung des Septincollars in einen Septinring. Während der anschließenden Kontraktion des Aktomyosinrings findet die Synthese des primären bzw. sekundären Septums statt. Eine detaillierte Untersuchung der Septincollar-zu-Ring Umwandlung wurde durch den Einsatz einer analog-sensitiven Version der Don3 Kinase ermöglicht: Durch Inhibierung der modifizierten Kinase Don3M175A war es möglich, Cluster von Zellen mit stabilem sekundären Septincollar zu erzeugen. Es konnte gezeigt werden, dass diese Struktur als Gerüst für Cdc4 (myosin essential light chain) dient, einer weiteren Komponente des kontraktilen Aktomyosinrings. Interessanterweise führt die Reaktivierung der Kinase unmittelbar zu einem Abbau des zuvor stabilen sekundären Septincollars. Mit diesem Abbau geht die Rekrutierung von Cdc15 einher, welches zusammen mit Cdc4 den kontraktilen Aktomyosinring aufbaut. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass die Funktion des kontraktilen Rings Cdc15-abhängig und essentiell für den Wiederaufbau der Septinfilamente in Form eines Septinrings ist. Sowohl die primäre als auch sekundäre Septierung wird jeweils mit dem Abbau des Septinrings abgeschlossen. Es zeigte sich, dass der Abbau des sekundären Septinrings abhängig ist von Rts1, der regulatorischen Untereinheit der Protein-phosphatase 2A. Die Wirkung und das Zusammenspiel von Don3 und Cdc42 konnten durch deren sequentielle Aktivierung und Inaktivierung aufgeklärt werden. Beide Proteine sind in zwei unabhängigen Signalkaskaden an der Assemblierung des sekundären Aktomyosinrings beteiligt. Mit diesen Ergebnissen konnte in dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, dass der Wechsel der Septinstrukturen nicht durch eine mechanische Rotation der Septinfilamente in der Ebene der Plasmamembran stattfindet, sondern durch einen Abbau und Wiederaufbau vollzogen wird. Diese Beobachtung lässt vermuten, dass die Septinfilamente eine duale Funktion in knospenden Pilzen übernehmen. Longitudinal ausgerichtete Filamente gewähren die mechanische Stabilität der Knospungsstelle und wirken als Interaktionspartner oder Zielproteine für weitere Proteine wie z.B. die Proteinkinase Gin4 oder für Komponenten des kontraktilen Aktomyosinrings. Diese Struktur wiederum wird für die Assemblierung von umlaufend ausgerichteten Septinfilamenten benötigt, die dann eine essentielle Funktion während der Zelltrennung ausüben. Septins are conserved GTP-binding proteins essential for cytokinesis in animal and fungal cells. The filament-forming septins were discovered in the yeast Saccharomyces cerevisiae where they undergo a complex structural reorganization during budding growth. Septin filaments align in longitudinal orientation along the mother-bud axis and form an hourglass- or collar-like structure. During cytokinesis the septin collar is converted into two rings with circumferential orientation of filaments. The molecular mechanism of this dynamic structural transition is yet unknown. We could show that septin collar-to-ring transition in budding cells of the dimorphic fungus Ustilago maydis involves disassembly and reassembly of septin filaments. We used a chemical genetic approach to arrest dividing cells with a stable septin collar. We observed that at this stage the essential myosin light chain Cdc4 but not the FCH domain protein Cdc15 is associated with the septin collar. Inhibitor release results in instantaneous disassembly of the septin collar, while Cdc4 recruits Cdc15 from the cytoplasm to form the contractile actomyosin ring. Reassembly of septin filaments into a ring-like structure occurred upon constriction of the actomyosin ring. We propose that septin filaments exert a dual function in budding cells. Septin filaments in longitudinal orientation confer mechanical stability of the mother-bud neck while circumferential orientation of septin filaments is required for their function during cytokinesis.

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    Trends in Cell Biology 04/2005; 15(3):156-62. · 11.72 Impact Factor
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Christian Böhmer