Die mitotische Spindel ist ideal für die Erforschung der Selbstorganisation und Plastizität molekularer Kollektive im Zytoplasma. Die Geometrie der Spindel ist entscheidend für die korrekte Chromosomentrennung, muss sich aber an die Zellgröße anpassen. Es ist unbekannt, ob und wie Zellen während ihrer Differenzierung die Spindelarchitektur anpassen, was insbesondere während der Gehirnentwicklung relevant ist. Wir untersuchten dies mit Maus-Embryonalstammzellen, die in frühe neuronale Vorläuferzellen differenziert wurden. Wir entwickelten ein automatisiertes Mikroskopieprotokoll um einen umfassenden Datensatz von mitotischen Zellen zu generieren. Außerdem entwickelten wir Spindle3D, ein Werkzeug zur dreidimensionalen Analyse von Spindeln. Überraschenderweise waren die Spindelvolumina in differenzierenden Zellen bis zu 24% kleiner als in pluripotenten Zellen.
Während die Wachstumsgeschwindigkeit der Mikrotubuli unverändert blieb, verschob sich in sich differenzierenden Zellen die Nukleation von Mikrotubuli zugunsten der astralen Population. Diese Veränderung der Spindelarchitektur basierte auf der differenzierungsbedingten Verdünnung des Zytoplasmas. Dies aktivierte CPAP, ein Protein, das die Zentrosomenreifung reguliert, was zur Superskalierung des perizentriolären Materials und verstärkte Rekrutierung von gamma-Tubulin an den Zentrosomen und somit zur Umlagerung von Mikrotubuli innerhalb der Spindel führte. Diese Veränderungen der mitotischen Architektur konnten durch externe osmotische Einwirkung in undifferenzierten Zellen nachgestellt werden. Insgesamt verbinden unsere Ergebnisse zelltypspezifische zytoplasmatische Materialeigenschaften mit der Spindelarchitektur. / The mitotic spindle provides an excellent system in which to study the plasticity of molecular collectives. To segregate chromosomes accurately, the spindle’s geometry must be adaptive to changes in cell size. It is unknown whether and how differentiating cells adjust spindle architecture, specifically during brain development when spindle defects have severe pathological consequences. Using murine embryonic stem cells, we recapitulated the transition from pluripotency to early neural cell identities in vitro. Aiming at a systematic exploration of spindle and cell morphology throughout this process, we developed an automated microscopy protocol and Spindle3D, a morphometric tool for the analysis of spindles in confocal images. Intriguingly, in cells with comparable cell volume, spindle volumes were up to 24% smaller in cells undergoing differentiation. While microtubule growth speed remained equal, we measured increased nucleation of astral microtubules at the expense of the spindle bulk in differentiating cells. The shift in spindle architecture was explained by the differentiation-driven cytoplasmic dilution. This activated the centrosomal regulator CPAP, causing the superscaling of the pericentriolar material and the concomitant increased recruitment of gamma-tubulin to the centrosomes, redistributing microtubule numbers within the spindle. Mimicking the dilution effect by osmotic challenge reproduced the same mitotic architecture in undifferentiated cells. Collectively, our results link cell state-specific cytoplasmic material properties to spindle architecture.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/29347 |
| Date | 24 May 2024 |
| Creators | Kletter, Tobias |
| Contributors | Reber, Simone, Blüthgen, Nils, Müller-Reichert, Thomas |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | (CC BY-NC-ND 4.0) Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International, https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ |
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