Regulation of the Ctf19/CCAN protein complex at the budding yeast kinetochore

A correct chromosome-microtubule interaction is crucial for mitotic and meiotic divisions in every living eukaryotic organism. The proteinaceous structures that are responsible for the correct attachment of chromosomes to microtubules are called kinetochores. Kinetochores are large multiprotein complexes that create a binding interface for the dynamic spindle on centromeres to ensure a correct sister-chromatid segregation in mitosis or the segregation of homologous chromosomes in meiosis I. In the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, a single microtubule attaches to a specialized nucleosome containing the protein Cse4/CENP-A in exchange for the histone protein H3 at the centromeric region. Kinetochore assembly in budding yeast has to be timely and spatially regulated, in order to allow bi-oriented microtubule binding as soon as the centromeric DNA is replicated. How efficient kinetochore assembly is coupled to cell cycle progression is not well understood. This study provides new insights into mechanisms of phospho-regulation of the Ctf19CCAN protein complex through a detailed analysis of the essential inner kinetochore component Ame1/CENP-U, a subunit of the COMA subcomplex. Biochemical analysis in this study indicates that phosphorylation of Ame1 does not influence the ability to bind known interaction partners like the outer kinetochore complex Mtw1c, the essential CCAN component Mif2 or centromeric DNA. Biochemical and genetic experiments reveal that a major function of CDK phosphorylation of Ame1 is the regulation of protein levels, most clearly demonstrated after challenging cells with excess Ame1/Okp1. In particular Ame1 residues Ser41/Ser45 and Ser52/Ser53 were identified as Cdc28/Clb2 phosphorylation sites that constitute phospho-degron sequences which allow binding of the E3 ubiquitin ligase complex SCF with the F-Box phospho-adapter Cdc4. Cell cycle analysis of endogenous Ame1 revealed that degron motifs are activated stepwise in a cell cycle dependent manner, leading to full phosphorylation in M-Phase and subsequent degradation via SCF-mediated ubiquitination in mitosis. Phosphorylation and degradation are prevented upon interaction of Ame1 with the Mtw1 complex creating a safety mechanism to only remove free subcomplexes of Ame1/Okp1, that would otherwise favor ectopic kinetochore assembly. Artificially creating stronger Cdc4-degron sequences on Ame1 compromised viability in otherwise wildtype cells but was able to partially suppress the growth phenotypes of cdc4 mutants. Apart from Ame1, also the COMA complex subunit Mcm21 is phosphorylated in a cell cycle dependent manner and it is shown that the overexpression of COMA complexes is toxic for cells, explaining why protein levels need to be carefully controlled. In addition to this regulatory mechanism, a novel protein-protein interaction site on the Ame1 C-Terminus was identified, which is responsible for the binding of Ame1/Okp1 to the heterodimer Nkp1/Nkp2. In summary, a novel mechanism for a restricted kinetochore assembly is presented that requires a CDK-mediated phosphorylation and ubiquitination of kinetochore subunits by SCFCdc4.

Eine korrekte Chromosomen-Mikrotubuli Bindung ist ausschlaggebend für eine akkurate mitotische und meiotische Zellteilung in allen lebenden eukaryotischen Organismen. Die proteinreichen Strukturen, die für eine korrekte Anheftung der Chromosomen an die Mikrotubuli verantwortlich sind, werden Kinetochore genannt. Kinetochore sind Multiprotein-Komplexe, die eine Plattform für die Spindel darstellen und an den Zentromeren der Chromosomen gebildet werden. Dort ermöglichen sie eine exakte Verteilung der Schwesterchromatiden in Mitose und der homologen Chromosomen in Meiose I. In der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae bindet ein einziger Mikrotubulus an ein spezialisiertes Zentromer-assoziiertes Nukleosom, welches die Histon H3-Variante Cse4/CENP-A enthält. Der Aufbau von Kinetochoren in der Bäckerhefe muss zeitlich und räumlich reguliert sein, sodass eine Bi-Orientierung der Mikrotubuli direkt nach Replikation des Zentromers gewährleistet ist. Bislang ist nicht ausreichend verstanden, wie der effiziente Aufbau von Kinetochoren mit dem Fortschreiten des Zellzyklus verknüpft ist. In dieser Arbeit werden neue Erkenntnisse präsentiert, die eine phosphorylierungsabhängige Regulation der CCAN-Untereinheit Ame1/CENP-U (bildet eine Untereinheit des COMA-Komplexes) aufdecken. Die Phosphorylierung von Ame1 beeinflusst weder die Protein-Protein Interaktion von Ame1 mit dem Mtw1c (Komplex des äußeren Kinetochors) oder dem essentiellen CCAN-Protein Mif2, noch die DNA-Bindung an Zentromer-DNA. In biochemischen und genetischen Experimenten wurde dagegen gezeigt, dass die CDK-Phosphorylierung von Ame1 für die Regulation des Proteinlevels verantwortlich ist. Dies ist vor allem in Überexpressions-Analysen bestätigt worden, bei der ein erhöhtes Proteinlevel von Ame1/Okp1 das Zellwachstum beeinträchtigt. Die Phosphorylierung von Ame1 an den Aminosäureresten Ser41/Ser45 und Ser52/Ser53 ist abhängig von Cdc28/Clb2 und bildet sogenannte Phospho-Degron Motive aus, die von der E3 Ubiquitin Ligase SCF mit dem Phospho-Adapter Protein Cdc4 erkannt werden. In Zellzyklus-Analysen wurde außerdem bestätigt, dass diese Phospho-Degron Motive schrittweise und Zellzyklus-abhängig aktiviert werden, sodass in M-Phase eine vollständige Phosphorylierung vorliegt, die zu einer Ubiquitinierung von Ame1 führt. Wenn Ame1 an den Mtw1 Komplex gebunden wird, ist die Phosphorylierung und damit verbunden der Abbau von Ame1 verhindert. Dies stellt einen Sicherheitsmechanismus dar, sodass nur Ame1/Okp1 Komplexe abgebaut werden, die frei im Zellkern vorkommen und dazu fähig wären den potentiell gefährlichen Kinetochor-Aufbau abseits des Zentromers zu begünstigen. Die künstliche Verstärkung des Phospho-Degron Motivs in Ame1 mittels gezielter Mutationen, beeinträchtigt das Zellwachstum von Wildtypzellen aber kann gleichzeitig den Wachstumsphänotyp in cdc4 Mutanten teilweise unterdrücken. Des Weiteren wurde gezeigt, dass auch Mcm21, eine weitere Untereinheit des COMA Komplexes, Zellzyklus-abhängig phosphoryliert wird und dass die Überexpression von COMA Komplexen das Zellwachstum noch stärker beeinträchtigt. Neben diesem regulatorischen Mechanismus wurde eine weitere Bindungsstelle am C-terminalen Ende von Ame1 identifiziert, die für die Protein-Protein Interaktion von Ame1/Okp1 mit dem Heterodimer Nkp1/Nkp2 verantwortlich ist. In dieser Arbeit wird ein neuer Regulations-Mechanismus vorgestellt, der durch CDK-Phosphorylierung Degron Motive aktiviert und dadurch die Ubiquitinierung von Kinetochor-Proteinen durch die E3 Ligase SCFCdc4 erlaubt.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:
Zitierform konnte nicht geladen werden.

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten