German Title: Zellpolarität und sterolreiche Membranregionen in Spalthefe

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Abstract

Fission yeast (Schizosaccharomyces pombe) is a model organism widely used for studying cell polarization. Polarization in fission yeast involves cytoskeleton-mediated positioning of growth sites. A complex consisting of the polarity factors Tea1 and Tea4 is transported on microtubules to the cell end regions. Tea4 interacts with the actin polymerization promoter For3. Selective activation of For3 in the cell end regions makes them rich in F-actin that contributes to localized cell growth. In this study, sterol-rich membrane (SRM) domains present at the growth sites are introduced as a new element in this picture, and their role in cell polarity establishment is analyzed. Since SRMs are absent from the plasma membrane in starved cells, imaging of cells recovering from starvation using the novel SRM marker GFP-Tna1 was performed to follow SRM domain formation de novo. Automated image analysis software was developed to analyze and correlate cell growth and SRM dynamics with an unprecedented level of precision. The results show that properly formed SRM domains are essential for fission yeast growth. SRMs, and with them the growth machinery, have to polarize before cell growth initiation. F-actin is required for selective removal of SRM domains in the cell middle region, and thus for polarizing SRMs. Fast removal of SRM domains in the cell middle region is not due to increased endocytic activity (mediated by F-actin). Tea1 controls the localization of polarized growth via Tea4 by affecting the positioning of SRM domains. Tea1 and Tea4 are essential for the stability of the SRM domains not associated with active growth sites. The importance of the microtubule cytoskeleton for the stability of SRM positioning stems from its role in the transport of the Tea1-Tea4 complex to the cell end regions. Tea1∆ and tea4∆ cells, known to grow monopolarly, grow faster at individual cell ends than wild type cells. Tea1 and Tea4 are required for proper timing of growth initiation. The proteins associated with the actin cytoskeleton, For3 and its activator Bud6, are important for the stability of SRM domains at both cell ends. For3 is also important for growth speed stabilization. In conclusion, a complex feedback loop links SRMs and cell growth. SRMs are essential for the polarization of the growth machinery, probably serving as platforms for its recruitment. The growth machinery, in turn, seems to stabilize SRM domains at sites that have initiated growth. Importantly, the results of this study show that SRMs are a critical factor in de novo cell polarization, and not merely a player in its maintenance, as was previously thought.

Translation of abstract (German)

Die Spalthefe Schizosaccharomyces pombe ist ein Modellorganismus in der Erforschung der Zellpolarisation. Die zytoskelettgesteuerte Positionierung der Wachstumsregionen spielt eine entscheidende Rolle bei der Polarisierung der Hefezellen. Dabei wird ein Komplex, bestehend aus den Polarisationsfaktoren Tea1 und Tea4, entlang der Mikrotubuli zu den zwei entgegengesetzten Zellenden transportiert. Tea4 interagiert dort mit For3, einem Faktor der die Aktinpolymerisation beschleunigt. Die selektive Aktivierung von For3 an den Zellenden führt zur Anreicherung von F-Aktin in diesen Regionen, was zum lokalisierten Zellwachstum führt. In dieser Studie untersuchen wir die Rolle von sterolreichen Membranregionen (SRM) bei der Polarisierung der Hefezelle und zeigen die wichtige Bedeutung dieser Regionen. SRMs sind abwesend in Hefezellen, die unter Nährstoffmangel leiden. Neue SRMs werden gebildet sobald man den Zellen Nährstoffe zuführt. Mittels GFP-Tna1, einem neuen SRM-Marker, beobachteten wir die Neubildung der SRMs. Neu entwickelte Bildanalysesoftware erlaubt uns Zellwachstum und SRM-Neubildung mit bisher unerreichter Präzision zu analysieren und miteinander zu Korrelieren. Wir konnten zeigen, dass die korrekte Bildung der SRMs und ihre Lokalisierung an den Zellpolen und damit einhergehend die Lokalisierung der Wachstumsmaschinerie an den Zellpolen essentiell für die Initiierung des Zellwachstums sind. F-Aktin spielt eine wichtige Rolle beim Transport der SRMs von der Zellmitte zum Zellpol. Der schnelle Transport der SRMs ist jedoch nicht abhängig von der gesteigerten, F-Aktin initiierten endozytotischen Aktivität. Tea1 und Tea4 sind essentiell für die Positionierung der SRMs und somit die Polarisierung der Hefezelle. Tea4 koppelt Tea1 mit den SRMs. Da der Tea1/Tea4-Komplex mittels der Microtubuli zum Zellpol transportiert wird, hat das Microtubulizytoskelett eine entscheidende Rolle bei der stabilen Positionierung der SRMs. Tea1∆ und tea4∆ wachsen monopolar. Sie wachsen schneller an dem einen Ende als Wildtypzellen. Tea1 und Tea4 sind notwendig für den korrekten Zeitpunkt der Wachstumsinitiierung. In for3∆ Zellen sind sowohl das Wachstumsgeschwindigkeit als auch die Lokalisierung der SRMs instabil. Das F-Aktin assoziierte Protein For3 und dessen Aktivator Bud6 sind essentiell für die Stabilisierung der SRMs an beiden Zellpolen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass SRMs und Zellwachstum durch eine komplexe Rückkopplungsschleife verbunden sind. SRMs sind essentiell für die Pollokalisierung der Wachstumsmaschinerie. Es ist anzunehmen, dass sie als Plattform dienen, auf der sich die Maschinerie aufbaut. Die Wachstumsmaschinerie auf der anderen Seite lokalisiert die SRM an Wachstumsstellen stabil. Wir können in dieser Studie erstmals zeigen, dass die SRMs eine kritische Rolle bei der Neubildung der Zellpolarität spielen und nicht nur bei deren Stabilisierung wie bislang angenommen.