Compartmentalization of the Endoplasmic - ETH E

DISS. ETH No. 23452
Compartmentalization of the Endoplasmic Reticulum
in the Caenorhabditis elegans embryos
and its potential role in polarity
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZüRICH
(Dr. sc. ETH Zürich)
presented by
ZUO YEN LEE
MSc., Nottingham Trent University
Born on 05.03.1981
citizen of Malaysia
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Yves Barral
Prof. Dr. Monica Gotta
Prof. Dr. Alex Hajnal
2016
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Abstract
Abstract
In many cell types, membrane lateral diffusion barriers help to define distinct
compartments within the membrane system. For examples, asymmetrically dividing
yeast cells form a lateral diffusion barrier in the endoplasmic reticulum (ER) and the
nuclear envelope between the mother and the future daughter cell, and neurons form
such barrier in the plasma membrane between the axon and the somatodendritic
domain. The compartmentalization of the ER during division plays a role for cell
polarity and the retention of misfolded protein. The one-cell Caenorhabditis elegans
(C. elegans) embryo is polarized to partition polarity mediators and fate determinants
between the different cell lineages generated during its first division. In this study,
we aim to investigate ER compartmentalization and its potential relevance in C.
elegans embryo.
Using Fluorescence Loss In Photobleaching (FLIP), we found that the ER of
C. elegans embryos is physically continuous throughout the entire cell, but its
membrane is compartmentalized into an anterior and a posterior domain around
the future cleavage plane. By excluding the factors of ER organization and protein
diffusion in this compartmentalization, we suggest the presence of a diffusion barrier
in the ER membrane between these two domains. We further identified the small
GTPase RAP-1 as a regulator of barrier formation prior to NEBD. Knockdown of
RAP-1 exacerbated the loss of MEX-5 (Muscle Excess) gradient at NEBD, and
PIE-1 (Pharynx and Intestine in Excess) gradient at both NEBD and Anaphase in
temperature sensitive par-2 (partitioning defective) mutant embryos. This correlated
with enhanced embryonic lethality in the same condition. Together, our data suggest
that ER membrane compartmentalization is conserved in the early C. elegans
embryo and provide first steps in elucidating its role in polarity.
Zusammenfassung
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Zusammenfassung
In vielen Zelltypen helfen laterale Diffusionsbarrieren unterschiedliche Kompartimente
innerhalb der Membran zu definieren. Zum Beispiel, formt die Bäckerhefe eine
laterale Diffusionsbarriere im endoplasmatischen Retikulum (ER) und in der
nuklearen Membran zwischen der Mutterzelle und der entstehenden Tochterzelle
während der asymmetrischen Zellteilung. Neuronen formen ebenfalls eine solche
Barriere in der Plasmamembrane zwischen dem Axon und der somatodentritischen
Domäne. Die laterale Diffusionsbarriere im ER polarisiert die Zelle und verhindert
die Diffusion von ungefalteten Proteinen zwischen den Kompartimenten. Der
einzelligen C. elegans Embryo polarisiert Differenzierungsfaktoren um die folgende
asymmetrische Zellteilung zu ermöglichen. Das Ziel dieser Studie ist zu untersuchen,
ob die ER-Membran im C. elegans Embryo kompartmentalisiert ist und dessen
potentielle Relevanz zu identifizieren.
Mittels FLIP (Fluorescence Loss In Photobleaching) konnten wir im C. elegans
Embryo zeigen, dass das ER kontinuierlich auf die ganze Zelle verteilt ist, aber
die ER-Membran in eine anteriore und posteriore Domäne an der zukünftigen
Teilungsfurche unterteilt ist. Wir konnten ausschließen, dass ER-Organisation
und Proteindiffusion die Kompartimentalisierung der Zelle hervorrufen, was darauf
hindeutet, dass eine laterale Diffusionsbarriere zwischen diesen beiden Domänen
besteht. Wir konnten die small GTPase RAP-1 als einen Regulator der Bildung
der Diffusionsbarriere identifizieren. Darüber hinaus konnten wir feststellen, dass in
Kombination mit einer Temperatur-sensitiven par-2 (partitioning defective) Mutation,
der Knockdown von RAP-1 zu einem Verlust des MEX-5 und PIE-1 (Pharynx and
Intestine in Excess) Gradienten während des Kernhüllenabbaus und im letzteren Fall
auch während der Anaphase führt. Unter denselben Bedingungen wurde ebenfalls
eine erhöhte Sterberate der Embryonen festgestellt. Unsere Studie zeigt, dass die
ER-Membran kompartmentalisiert ist und zur Polarität des einzelligen C. elegans
Embryo beiträgt.