Characterization of the functions of polo-like kinase 2 during meiotic chromosome pairing in C. elegans

• Main Author: Labella, Sara
• Other Authors: Monique Zetka (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2013
• Subjects: Biology - Molecular
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=114400

The two rounds of cell division that constitute meiosis are a conserved process that generates the gametes required for sexual reproduction. Given the importance of this specialized cell division in forming new life it is imperative for meiotic cells to ensure that the homologous chromosomes (at meiosis I) and subsequently the sister chromatids (at meiosis II) are properly segregated to avoid aneuploidy and infertility. As a first step in this process the maternal and paternal chromosomes (the homologs) have to be able to recognize each other and align along their length (pairing). In many organisms this culminates in the formation of the synaptonemal complex (SC) to further stabilize their interactions. Since SC formation is independent of chromosome homology, pairing and synapsis processes must be coordinated to ensure SC formation only after homology assessment. During the chromosome pairing process in the nematode C. elegans, one end of each chromosome (the pairing centers, PCs) interacts with the nuclear envelope (NE) and is thought to generate their movement within the nucleus through a connection to cytoskeletal forces across an intact NE, a process well conserved from yeasts to mammals. The function of chromosome movement and how it is established and regulated is still poorly understood in any system and here I present my contribution to understanding the mechanism and regulation of meiotic chromosome pairing and synapsis and the role of chromosome movement during these events in C. elegans.My initial work focused on the characterization of polo-like kinase 2 (PLK-2); PLK-2 localizes to the PCs associated with the NE upon meiotic entry and loss of plk-2 function severely disrupts homologue pairing and results in nonhomologous synapsis. Previous work has shown that at meiosis I onset, the NE is reorganized such that integral NE SUN-1/ZYG-12 modules that bridge the NE and interact with cytoskeletal forces aggregate in the vicinity of chromosome PCs to form mobile foci that can further coalesce into patches. I showed that PLK-2 activity at the PCs is required for the meiotic reorganization of SUN-1/ZYG-12 complexes within the NE and I directly show that these bridges connect nuclear chromosomes with the cytoskeletal forces that are required to generate chromosome movement during pairing stages. Using a kinase dead PLK-2, I found that PLK-2 kinase activity is required for chromosome motion and loss of this motion results in nonhomologous synapsis between the unpaired chromosomes. Using a separation-of-function allele of PLK-2, I demonstrate for the first time that chromosome movement per se is not sufficient for homologous pairing. In these mutants, the chromosomes retain wild-type like movements, despite the failure to reorganize the NE and form SUN-1/ZYG-12 foci and patches. Analysis of the chromosome movement indicates that chromosome ends undergo fewer encounters and separate more rapidly in comparison to wild-type. Consequently, I propose that SUN-1/ZYG-12 patch formation is not required for chromosome movement but to restrain this movement in order to provide a window of opportunity for the chromosomes to undergo homology assessment. The balance of forces between NE protein aggregates that constrain chromosome ends together and cytoskeletal microtubules that try to separate them might be at the basis of chromosome homology establishment. Since many of the proteins participating in these events are conserved, including PLK-2, this mechanism may be a conserved feature of meiotic chromosome pairing in different species. === Les deux cycles de division cellulaire qui constituent la méiose représentent un processus conservé au cours de l'évolution des espèces qui permet de créer les gamètes nécessaires à la reproduction sexuelle. Compte tenu de l'importance de ce processus dans la formation de toute nouvelle vie, il est essentiel pour les cellules méiotiques d'assurer la séparation correcte des chromosomes homologues lors de la première division de méiose (MI), puis des chromatides sœurs lors de la deuxième division de méiose (MII) afin d'éviter aneuploïdie des gamètes et infertilité. Au cours de la méiose I, les chromosomes maternels et paternels homologues se reconnaissent et s'alignent sur toute leur longueur (appariement). Dans de nombreux organismes cette première étape aboutit à la formation du complexe synaptonémal (SC) qui stabilise davantage leurs interactions. Puisque la formation du SC est indépendante de l'homologie des chromosomes, les processus d'appariement et de synapse doivent être dûment coordonnés pour que la formation du SC n'ait lieu qu'après vérification de l'homologie. Pendant le processus d'appariement des chromosomes chez le nématode C. elegans, une extrémité de chaque chromosome (les centres d'appariement, PC) interagit avec l'enveloppe nucléaire (NE) et génère vraisemblablement leur mouvement à l'intérieur du noyau par le biais d'une connexion au cytosquelette via l'enveloppe nucléaire, un processus bien conservé des levures aux mammifères. La fonction du mouvement des chromosomes et la façon dont il est établi et réglementé est encore mal comprise dans tout système. Je présente dans ce manuscrit ma contribution à la compréhension du mécanisme et de la fonction précise de ce processus dans le mouvement des chromosomes lors de la méiose chez C.elegans.Mon travail initial a porté sur la caractérisation d'une protéine polo-like kinase 2 (PLK-2). PLK-2 se localise au niveau des centres d'appariement associés à l'enveloppe nucléaire au début de la méiose; son absence perturbe gravement l'appariement des homologues et conduit à la formation de synapse non-homologue. Des travaux antérieurs avaient montré que à l'entrée en méiose l'enveloppe nucléaire est réorganisée de telle façon que les complexes protéiques SUN-1/ZYG-12 qui permettent de créer la liaison physique entre le cytosquelette à l'extérieur du noyau et les chromosomes à l'intérieur s'agrègent entre eux au voisinage des centres d'appariement des chromosomes. J'ai montré que c'est l'activité de PLK-2 qui préside à la réorganisation de ces complexes SUN-1/ZYG-12 dans l'enveloppe nucléaire, et que ces complexes sont directement nécessaires au mouvement des chromosomes durant le processus d'appariement. Par mutagénèse dirigée j'ai créé une protéine PLK-2 sans activité kinase, et j'ai ainsi pu démontrer qu'une réaction de phosphorylation par PLK-2 est essentielle au mouvement des chromosomes; en son absence les chromosomes forment des synapses non homologues. La découverte et l'étude d'un allèle non nul de plk-2 (vv44) a aussi permis de comprendre que le mouvement des chromosomes n'est pas suffisant à la reconnaissance des homologues, puisque dans ces mutants vv44 les chromosomes, bien que mobiles, ne créent pas de réorganisation des complexes SUN-1/ZYG-12 dans l'enveloppe nucléaire et forment aussi des synapses non homologues. Une analyse détaillée du mouvement des chromosomes dans ces mutants montre que les chromosomes se séparent plus rapidement que dans le type sauvage. Je propose donc un modèle dans lequel la formation des agrégats SUN-1/ZYG-12 n'est pas nécessaire au mouvement des chromosomes mais bien à leur rétention entre eux. Ainsi il existe un équilibre des forces entre les agrégats qui contraignent les extrémités des chromosomes dans un micro-environnement et les forces du cytosquelette qui permettent de séparer les chromosomes non homologues; cet équilibre offre une fenêtre d'opportunité pour tester l'homologie des chromosomes.