Velikost kinetochoru ve vztahu k velikosti chromozomů

Bc. Klára Plačková

Master's thesis

Kinetochore size in relation to chromosome size

Abstract:

Kinetochor je proteinová struktura důležitá pro správný rozchod sesterských chromatid do dceřiných jader. U většiny eukaryotických organismů se tvoří v oblasti zvané centromera, kde je vymezený centromerickou variantou histonu H3 (CenH3). Variabilita ve velikosti centromery/kinetochoru je obrovská – od bodové centromery, přes rozšířené centromery, až po kinetochory u holocentrických chromozomů tvořících se podél celé délky obou chromatid. Stejně tak jsou ve své velikosti variabilní i chromozomy. Ukázalo se, že celková velikost kinetochoru/centromery silně koreluje s velikostí genomu napříč celou eukaryotickou linií. To znamená, že koreluje průměrná velikost kinetochoru/centromery s průměrnou velikostí chromozomu. Předpokládáme, že tento vztah je podmíněný určitou rovnováhou mezi kinetochorovou a chromozomální velikostí každého chromozomu uvnitř karyotypu. Pro otestování této hypotézy jsem použila sedm druhů z podčeledi Agavoideae, které mají asymetrický bimodální karyotyp, v němž se chromozomy liší svou délkou až 9,6násobně. Naměřila jsem plochy 1 360 chromozomů barvených DAPI a jejich kinetochorů (CenH3) ze snímků pořízených na epifluorescenčním mikroskopu a objemy 192 modelů chromozomů a jejich kinetochorů, které byly vytvořené ze 3D-SIM souboru řezů. Našla jsem signifikantní pozitivní vztah mezi velikostí chromozomu a jeho kinetochoru, a to jak při použití 2D metody (β = 0,282), tak u metody 3D (β = 0,235). Tyto dvě metody spolu silně korelují (r = 0,925; p < 0,001), což ukazuje na spolehlivost obou metod. Tato vnitrokaryotypová korelace by mohla být příčinou zjištěných korelací celkové velikosti kinetochoru/centromer s velikostí genomu napříč eukaryotickou linií. Na základě pozitivního vztahu mezi velikostí chromozomu a kinetochoru můžeme říct, že větší chromozomy potřebují pro správnou segregaci větší kinetochory, aby nedocházelo k zaostávání velkých chromozomů za malými. Pokud by existoval evoluční mechanismus, který by měnil velikosti kinetochorů, mohl by vést k velikostní variabilitě chromozomů, a tím i k variabilitě celých genomů.

Abstract:

Kinetochore is a protein structure responsible for the proper segregation of sister chromatids into daughter nuclei. It is assembled in a region called centromere, defined by a centromere-specific variant of histone H3 (CenH3) in most eukaryotes. Centromere/kinetochore size varies broadly – from point centromere, extended centromeres to kinetochores assembled along the entire length of chromatids of holocentric chromosomes. Chromosome size is also variable. It has been shown that the total kinetochore/centromere size is strongly correlated with genome size across eukaryotes. It means average kinetochore/centromere size correlates with average chromosome size. We assume that this relationship is conditioned by the balance between kinetochore and chromosome size of each chromosome within a karyotype. I used seven species from the subfamily Agavoideae to test this hypothesis, which have an asymmetric bimodal karyotype with chromosomes displaying up to 9.6-fold size differences. I measured areas of 1 360 chromosomes stained with DAPI and their kinetochores (CenH3) from images taken on an epifluorescence microscope and volumes of 192 models of chromosomes and their kinetochores created from 3D-SIM stacks. I found a significant positive relationship between chromosome and kinetochore size, for 2D method (β = 0.282) and 3D method (β = 0.235), respectively. These two methods are strongly correlated (r = 0.925; p < 0.001) indicating the reliability of both approaches. This within-karyotype correlation could be the primary cause of the observed kinetochore/centromere size correlations with genome size across the eukaryotes. We can say, based on the positive relationship between chromosome and kinetochore size that larger chromosomes need larger kinetochores for proper segregation to avoid lagging larger chromosomes behind small ones. The evolutionary mechanism capable to lead kinetochore size changes could promote the size variability of chromosomes and entire genomes.

Keywords

chromozom, velikost chromozomu, CenH3, velikost kinetochoru, imunobarvení, Asparagaceae, 3D-SIM, chromosome, chromosome size, kinetochore size, immunostaining

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 3. 1. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 10. 2. 2022
• Supervisor: prof. RNDr. Petr Bureš, Ph.D.
• Reader: Ing. Václav Bačovský, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Botany / Plant Biosystematics