histone titration by dna sets the threshold for the mid‐blastulact021wp7863/amodeo thesis... ·...

90
HISTONE TITRATION BY DNA SETS THE THRESHOLD FOR THE MID‐BLASTULA TRANSITION IN XENOPUS A DISSERTATION SUBMITTED TO THE DEPARTMENT OF BIOLOGY AND THE COMMITTEE ON GRADUATE STUDIES OF STANFORD UNIVERSITY IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS FOR THE DEGREE OF DOCTOR OF PHILOSOPHY Amanda A. Amodeo February 2013

Upload: others

Post on 06-Jun-2020

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • HISTONE TITRATION BY DNA SETS THE THRESHOLD FOR THE MID‐BLASTULA 

    TRANSITION IN XENOPUS 

     

     

     

     

    A DISSERTATION 

    SUBMITTED TO THE DEPARTMENT OF BIOLOGY  

    AND THE COMMITTEE ON GRADUATE STUDIES 

    OF STANFORD UNIVERSITY 

    IN PARTIAL FULFILLMENT OF THE REQUIREMENTS 

    FOR THE DEGREE OF 

    DOCTOR OF PHILOSOPHY 

     

     

     

     

     

     

    Amanda A. Amodeo 

    February 2013 

  • This dissertation is online at: http://purl.stanford.edu/ct021wp7863

    © 2014 by Amanda Anne Amodeo. All Rights Reserved.

    Re-distributed by Stanford University under license with the author.

    ii

    http://purl.stanford.edu/ct021wp7863

  • I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequatein scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy.

    Jan Skotheim, Primary Adviser

    I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequatein scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy.

    Michael Simon

    I certify that I have read this dissertation and that, in my opinion, it is fully adequatein scope and quality as a dissertation for the degree of Doctor of Philosophy.

    Timothy Stearns

    Approved for the Stanford University Committee on Graduate Studies.

    Patricia J. Gumport, Vice Provost for Graduate Education

    This signature page was generated electronically upon submission of this dissertation in electronic format. An original signed hard copy of the signature page is on file inUniversity Archives.

    iii

  •   iv 

    Abstract  

    During early development, animal embryos depend upon maternally deposited 

    RNA until zygotic genes become transcriptionally active. Prior to this maternal‐

    to‐zygotic transition (MZT), many species execute rapid and synchronous cell 

    divisions without growth phases or cell cycle checkpoints. In Xenopus laevis 

    embryos, the MZT coincides with cell cycle lengthening, cellular motility onset, 

    and the addition of cell cycle checkpoints at a stage termed the mid‐blastula 

    transition (MBT).  A long standing model is that the timing of the MBT is 

    controlled by a maternally loaded inhibitory factor that is titrated against the 

    exponentially increasing amount of DNA(Newport and Kirschner, 1982b). To 

    identify the inhibitory factor(s), we developed an assay using Xenopus egg extract 

    that recapitulates the activation of transcription only above the DNA‐to‐

    cytoplasm ratio found in embryos at the MBT. We used this system to 

    biochemically purify the factor responsible for inhibiting transcription below the 

    threshold DNA‐to‐cytoplasm ratio. This unbiased approach identified histones H3 

    and H4 as inhibitory factors. Addition of exogenous H3/H4 tetramers to the 

    extract increased the threshold concentration of DNA required for transcriptional 

    activation. Non‐specific removal of endogenous histones reduced the threshold 

    DNA concentration required for transcription, and the addition of histone H3/H4 

    tetramers was sufficient to restore the threshold in depleted extracts. Finally, 

    reduction of H3 protein in embryos induced a premature MBT. Our observations 

  •   v 

    support a model for MBT regulation by a maternally loaded titratable factor and 

    provide an identity for this long‐sought molecule. More broadly, our work 

    demonstrates how a constant concentration DNA binding molecule can be used 

    to measure the amount of cytoplasm per genome, a surrogate for cell size.  

     

       

  •   vi 

    Acknowledgments  

    This work would not have been possible without the intellectual contributions 

    and support of several communities of people. Foremost, I must thank my 

    advisors. As a joint student I have benefited from the mentorship of two very 

    talented and different faculty members at Stanford. Throughout my graduate 

    career Jan has supported and encouraged me to explore, even when I didn’t think 

    things would work. His unyielding optimism has spurred me to take risks and try 

    experiments that I never would have attempted without his encouragement. 

    Aaron too, has been a remarkable mentor. He welcomed me into his lab as a 

    visitor and allowed me to stay on as a true member of his lab. I would have never 

    predicted that my PhD would involve the biochemical purification of an unknown 

    factor, and I could never have done it with out them. 

    Along with two advisors came two wonderful sets of labmates and friends. Their 

    intellectual contributions and help in troubleshooting my experiments cannot be 

    overstated. Beyond that, their camaraderie made every day and adventure and 

    their support helped me though those weeks when nothing worked.  

    In addition to my labmates, I’ve also benefited from the support of my family and 

    a number of great friends? I’d particularly like to thank my father and brother 

    who still understand me better than anyone else even after all these years. Words 

    cannot express how grateful I am for all that you all have done for me.   

  •   vii 

    Contents  

    Abstract ................................................................................................................................ iv 

    Acknowledgments ............................................................................................................ vi 

    Contents .............................................................................................................................. vii 

    List of Tables ....................................................................................................................... ix 

    List of Figures ....................................................................................................................... x 

    Chapter I: Introduction to cell size control ............................................................... 1 

    1.1 Introduction: Cells maintain a characteristic cell size ............................................ 1 

    1.2 The relationship between growth and size control ................................................. 4 

    1.3 Many potential size‐sensing mechanisms ................................................................... 6 

    1.4 Cell size correlates with DNA content ........................................................................... 8 

    1.5 Titration of Cyclins in Budding Yeast .......................................................................... 13 

    1.6 Titration of DNA‐A in E. coli ............................................................................................ 14 

    1.7 Geometric size sensing in fission yeast ...................................................................... 17 

    1.8 The ease of generating titration based size sensors .............................................. 18 

    Chapter II: Titration and the mid‐blastula transition ......................................... 22 

    2.1 The maternal to zygotic transition (MZT) ................................................................. 22 

    2.2 The mid‐blastula transition and titration ................................................................. 24 

    2.3 Potential titrated factors at the MBT ........................................................................... 26 

    Chapter III: Histone titration times the MBT .......................................................... 29 

    3.1 Recreating the MBT in vitro ........................................................................................... 29 

  •   viii 

    3.2 Unbiased biochemical purification .............................................................................. 33 

    3.3 Effects of histones in extracts ........................................................................................ 36 

    3.4 Histone reduction and the MBT in vivo ...................................................................... 38 

    3.5 Supplemental material .................................................................................................... 40 

    Chapter IV: Methods ........................................................................................................ 51 

    Chapter V: Conclusions and future directions ........................................................ 58 

    5.1 Conclusions .......................................................................................................................... 58 

    6.2 Future directions ............................................................................................................... 62 

    References .......................................................................................................................... 68 

     

       

  •   ix 

    List of Tables 

    Table of mass spectrometry results  ......................................................................... 48 

     

       

  •   x 

    List of Figures 

     Figure 1.1: Cell size verses organ and organism size  ............................................. 3 

    Figure 1.2: Mechanisms for cell size measurement  ............................................... 8 

    Figure 1.3: Endocytosis and cell size  ........................................................................ 12 

    Figure 1.4: Titration mechanisms for cell size measurement in bacteria  ... 16 

    Figure 3.1. in vitro transcription is sensitive to the DNA‐to‐cytoplasmic 

    ratio via a titratable transcriptional inhibitor  ...................................................... 32 

    Figure 3.2. Isolation of histones H3 and H4 as the inhibitory activity  .......... 34 

    Figure 3.3. H3/H4 tetramers set the threshold for transcriptional activation 

    in extract  ............................................................................................................................ 37 

    Figure 3.4. Reduction of histone H3 causes premature initiation of the MBT 

    in vivo  .................................................................................................................................. 39 

    Figure S1. DNA‐to‐cytoplasm ratio controls transcription  ............................... 40 

    Figure S2. The major sperm chromatin transcript is a single stranded Pol III 

    product  ............................................................................................................................... 41 

    Figure S3. Inhibitory activity can be removed from extract‐treated DNA  ... 42 

    Figure S4. Intermediate gels during biochemical purification  ........................ 43 

  •   xi 

    Figure S5. H3/H4 inhibits transcription  ................................................................. 45 

    Figure S6. H3 morpholinos reduce H3 concentrations at the MBT  ................ 46 

    Figure S7. H3 morphant embryos display early MBT in multiple 

    independent experiments  ............................................................................................ 47 

    Figure 5.1: Mid‐blastula transition controlled by titration of regulators 

    against DNA  ....................................................................................................................... 61 

     

     

     

     

     

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  1 

    Chapter I: Introduction to cell size control 

    1.1 Introduction: Cells maintain a characteristic cell size 

    Cells size varies greatly depending on cell type and species. Among the eukaryotic 

    cells, 1mm frog oocytes (Wallace et al., 1981), are 1000 times larger than 1 

    micron diameter phytoplankton, a billion‐fold difference in volume (Palenik et al., 

    2007). Bacteria, such as Mycoplasma genitalium, can be as small as 200nm in 

    diameter (Zhao et al., 2008), while the largest prokaryote, Thiomargarita 

    namibiensis can be larger than 100 microns (Schulz et al., 1999). Even within an 

    organism, cells of different type may be of very different sizes. Human blood cells 

    are tiny (

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  2 

    In contrast to unicellular organisms, cells within multicellular organisms 

    experience much more constant environments. However, the function of these 

    cells still strongly depends on their size. For example, blood cells must maintain a 

    sufficiently small size to allow them to pass through capillaries and neurons must 

    span great distances in order to transduce singles down the lengths of limbs. 

    Furthermore, defects in cell size are associated with diseases such as Lhermitte‐

    Duclos disease wherein increase in cerebellar granule cell size leads to seizures 

    and eventual death (Kwon et al., 2001). 

    In some multicellular organisms, cell size can influence organ and organism size. 

    This scaling is absolute in C. elegans, where the cell number is fixed and 

    perturbations to cell size result in proportional changes in organ and organism 

    size (Cook and Tyers, 2007; Watanabe et al., 2007). However, in a large number 

    of species, such as the tiger salamander, alterations to cell size can be 

    compensated for by changes in cell number to preserve organ size (Fankhauser, 

    1945) (Fig 1.1). In addition, forcing proliferation in the fly wing imaginal discs 

    alters cell size, but triggers sufficient apoptosis to maintain organ size (Neufeld et 

    al., 1998). 

    Due to functional constraints, cells are under pressure to maintain a 

    characteristic size for their given type. In order to accomplish this size 

    homeostasis, growth and division must be coupled. For example, yeast grown in 

    nutrient poor conditions adjust their cell cycle duration to accommodate for 

    slower growth so that cells divide at roughly similar sizes as in nutrient rich 

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  3 

    environments (Di Talia et al., 2007; Di Talia et al., 2009). Yet, how size 

    homeostasis is maintained has remained elusive. Here, we review recent 

    advances and discuss a conceptual framework that potentially links a large class 

    of cell size questions.  

     

    Figure 1.1: Cell size verses organ and organism size. In multicellular organisms cell 

    size can interface with organ and organism size in one of two ways. a. If the 

    number of cells is fixed, changes in cell size will lead to changes in organ and 

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  4 

    subsequently organism size, as in C. elegans. b. If organ size is regulated 

    independently of cell size, changes in cell size will be compensated by changes in 

    cell number resulting in a constant organ and organism size, as happens in 

    salamanders. A mix of both mechanisms is also possible where cell size affects 

    organ size, but is partially compensated for by changes in cell number. 

     

    1.2 The relationship between growth and size control 

    At its most fundamental, cell size control within a specified interval ensures that 

    larger cells grow proportionally less than smaller cells. Importantly, size control 

    does not have to completely compensate for initial cell size differences. Rather, 

    size control is a quantitative feature whose amount in an interval can be 

    measured (Di Talia et al., 2009; Sveiczer et al., 1996). For example, weak size 

    control might require multiple cell division cycles to return an initially aberrantly 

    large or small cell to the characteristic size, while strong size control could do this 

    in one cycle. 

    For some cell growth dynamics, cell size homeostasis can be maintained without 

    a cell size sensor. All that is required for size homeostasis is that smaller cells 

    grow proportionally more than larger cells in a cell cycle so that size variation is 

    reduced in the next generation. For example, in the case of a constant rate of 

    linear growth, the cells size , will increase at a constant rate so that  . 

    Then, specifying the duration of the cell cycle determines the amount of growth €

    V

    !

    dVdt

    = C

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  5 

    so that, in proportion, smaller cells grow more than larger cells and the 

    population approaches a mean size without any specific size sensing mechanism 

    (Conlon and Raff, 2003). Thus, some cell growth dynamics do not require a cell 

    size measurement to maintain size homeostasis.  

    Other growth dynamics do necessitate a size measurement. One such example is 

    exponential growth, where the rate of growth is proportional to cell size: 

    . Here, a timer mechanism will not maintain size homeostasis because 

    cells born larger would grow proportionally during a specified period. 

    Fluctuations in division times will then result in a progressively wider size 

    distribution unless the cell employs a size sensing mechanism to limit cell cycle 

    duration in larger cells (Tyson and Hannsgen, 1985a; Tyson and Hannsgen, 

    1985b). 

    The importance of the dynamics of cell growth for size control has motivated 

    many studies (Mitchison, 2003). In the case of budding yeast, growth in an 

    unperturbed cell cycle is likely close to exponential as supported by both some 

    single cell analysis using fluorescence time‐lapse microscopy and microchannel 

    resonators, as well as classical bulk experiments using radioactive labeling (Di 

    Talia et al., 2007; Elliott and McLaughlin, 1978; Godin et al., 2010). However, 

    other groups have argued that G1 growth is closer to linear based on estimates of 

    cell volume using time‐lapse phase contrast microscopy (Ferrezuelo et al., 2012) 

    and that growth rates are altered by cell cycle phase (Goranov et al., 2009). For a 

    !

    dVdt

    = "V

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  6 

    more complete discussion of yeast size control and growth see Turner ’12. 

    Fission yeast growth is certainly less likely to be exponential as reviewed in 

    (Mitchison, 2003), and metazoan cells are almost certainly not (Kafri et al., 2013; 

    Son et al., 2012; Sung et al., 2013).  The clear deviation from exponential growth 

    in mammalian and other cells does not imply that these cells do not employ a size 

    sensor. In cases where size sensors are not strictly necessary, they may still be 

    desirable to keep the cell within an optimal range of sizes for proliferation and 

    function. Thus, the only way to determine if cell size sensors are operating in a 

    given cell type is to determine the molecular mechanism.   

     

    1.3 Many potential size‐sensing mechanisms 

    Active regulation of cell cycle progression in response to cell size requires that 

    cells have a method to accurately measure their size. Cells might accomplish size 

    measurement though a geometric mechanism if there is little cell‐to‐cell variation 

    in their geometry. For example, a geometric mechanism seems unlikely in 

    amoeboid cells or in the microvilli containing cells of the small intestine, but are 

    much more plausible in rod like bacteria and fission yeast, which grow in a well‐

    specified geometry along a single dimension. One potential method to measure 

    size using geometry would be to measure the ratio of surface area to volume 

    since for many geometries surface area will increase much less rapidly than 

    volume. A related possibility is that cells might sense other aspects of their 

    geometry such as cell length via intracellular gradients of cell cycle regulators 

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  7 

    (Martin and Berthelot‐Grosjean, 2009; Moseley et al., 2009). In this case, 

    segregation of critical components to designated sub‐cellular locations would 

    allow the cell to assess the distance between these compartments as a proxy for 

    cell size.  

    In multicellular organisms, external landmarks such as tissue edges or junctions 

    with target cells could be used to constrain cell growth. For example, a neuron 

    might grow until it makes contact with its target (Guthrie, 2007). However, this 

    mechanism requires an external pattern to already be in place and cannot 

    generate size control de novo so we do not focus our attention on this mechanism 

    in this chapter.  

    Finally, cells could measure their volume directly by titration of a constant 

    concentration sensor against a fixed internal “yardstick”. This mechanism 

    requires that the production of the volume sensor must be proportional to cell 

    growth and that there be a fixed “yardstick” to measure, i.e., titrate against. Here, 

    we explore the relevance of titration mechanisms in several biological contexts 

    (Fig 1.2).  

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  8 

     

    Figure 1.2: Mechanisms for cell size measurement. Cells can potentially sense their 

    size via a number of different mechanisms including: a. aspects of their cell 

    geometry such as surface area‐to‐volume or cell length via intracellular 

    gradients; b. extracellular landmarks; and (C) titration of a constant 

    concentration regulator, whose amount scales with cell size, against a fixed 

    “yardstick” to measure cell size.  

     

    1.4 Cell size correlates with DNA content 

    One of the earliest and most consistent observations about cell size is the 

    relationship between cell size and ploidy. In the early 1900’s, Theordor Boveri 

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  9 

    produced sea urchin embryos in a range of ploidies by manipulating the 

    conditions of fertilization. Haploid embryos divided more than diploid embryos 

    and thereby maintained a consistent ratio of DNA to cytoplasm. In further 

    experiments he created triploid and tetraploid embryos through multiple 

    fertilizations. In these embryos, spindle abnormalities caused an uneven 

    distribution of chromosomes so that not all cells received integer multiples of the 

    genome. In all cases, however, Boveri observed that the number of divisions 

    within a given sector of the embryo compensated for the DNA content that sector 

    received in the first cleavage. By the pluteus larval stage, cells that had received 

    more DNA were proportionally larger than those that had received less, which 

    indicated that the relationship extended beyond a simple size scaling with ploidy. 

    (Wilson, 1926) 

    Moreover, the relationship between cell size and ploidy extends well beyond the 

    embryo. Viable adult salamanders can be created from haploid to pentaploid. In 

    all cases, the size of the cells within their tissues increased or decreased 

    correspondingly, though the total organism size remained relatively invariant 

    due to compensatory alterations to cell number (Fankhauser, 1945). This 

    relationship is true in unicellular eukaryotes as well. The cell size of budding 

    yeast correlates with ploidy from haploid to hexaploid (Mayer et al., 1992; 

    Mortimer, 1958).  

    Developmentally regulated changes in ploidy correlate with cell size in numerous 

    large cell types. Often, as in the case of fly salivary gland and the mammalian 

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  10 

    trophoblast, cells increase their ploidy by undergoing rounds of 

    endoreduplication. In many cases, such as the wing scale cells in the moth, 

    Ephestia, the degree of endoreduplication correlates with cell size within a tissue 

    (Edgar and Orr‐Weaver, 2001) (Fig 1.3b). Similarly, as the land‐slug Limax grows 

    over its lifetime it increases the size of the neurons within its brain though 

    endoreduplication (Yamagishi et al., 2011). A very tight relationship has been 

    demonstrated between DNA content and cell size in the green algae Eudorina 

    (Tautvydas, 1976). The filamentous yeast, Ashbya, also contains many copies of 

    its genome within a single cytoplasm. In this case, individual nuclei appear be 

    carefully spaced within the growing cells in order to retain a relatively constant 

    ratio of DNA to cytoplasm (Anderson et al., 2013; Nair et al., 2010).  

    Endoreduplicative cell cycles increase ploidy by entering a relatively normal S‐

    phase but then skipping cytokinesis resulting in a doubling of the DNA content 

    for each iteration. This process can be repeated a large number of times resulting 

    in very large ploidies (up to 24,000C in the case of some plant endosperms (Traas 

    et al., 1998)). Endoreduplicating cell cycles are not simply unregulated or 

    prolonged S‐phases. Instead, these cells go through a fairly normal G1 and S‐

    phase in which the DNA is only replicated once. They then either proceed directly 

    from G2 into another G1‐like state (called an endocycle), or enter into mitosis but 

    abort before cytokinesis is completed and return to the G1‐like state (called an 

    endomitosis) (Zielke et al., 2013) (Fig 1.3a). In both cases, the activity of 

    conventional M‐phase regulators is absent or prematurely lost. However, G1/S 

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  11 

    regulation in endoreduplicating cells appears to be broadly similar to what is 

    found in conventional mitotic cell cycles (Edgar and Orr‐Weaver, 2001). This 

    implies that if a mechanism to measure cell size relative to DNA content were 

    operable at the G1/S transition, it might also explain the ploidy‐size relationship 

    observed for endoreduplicated cell types. 

    We note that the relationship between DNA content and cell size is not only true 

    within single species, but seems to be constant across most eukaryotes with only 

    small variations between clades across 6 orders of magnitude. A similar 

    relationship between cell size and DNA content has also been observed in 

    prokaryotes, although the slope is not the same (Cavalier‐Smith, 2001; Gregory, 

    2000). However, this does not imply that the mechanism of size measurement is 

    identical in all clades, but rather that there exist selective pressures that maintain 

    a roughly linear relationship between DNA content and cell size across 

    eukaryotes.   

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  12 

     

    Figure 1.3: Endocytosis and cell size. DNA content correlates with cell size in a 

    variety of organisms and contexts. a. Endoreduplicative cell cycles are similar to 

    mitotic cycles without cytokinesis. Endocycling cells proceed directly from a S/G2 

    like state to another G1, while endomitotic cells undergo a partial mitosis but 

    abort before cytokinesis. b. The wing scale cells of the moth Ephestia vary in 

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  13 

    ploidy from 8 to 32N with higher ploidy cells being larger than lower ploidy cells 

    (modified from (Edgar and Orr‐Weaver, 2001)). 

     

    1.5 Titration of Cyclins in Budding Yeast 

    Cell size control can be most directly studied in unicellular rather than multi‐

    cellular organisms because cell size is more easily measured and the number of 

    cell types limited. For this reason, the yeasts S. cerevisiae and S. Pombe have been 

    favorite models for the study of cell size regulation.  

    Budding yeast divide asymmetrically, and size control occurs in the smaller 

    daughter cells primarily in G1 (Di Talia et al., 2009). Smaller cells spend more 

    time in G1, but this size control is imperfect since variations in size are not 

    eliminated in a single cell cycle (Di Talia et al., 2007; Johnston, 1977). Progression 

    through G1 is initiated by the cyclin Cln3, which binds and activates CDK1 to 

    partially inactivate the transcriptional inhibitor Whi5 (Bertoli et al., 2013). 

    Inactivation of Whi5 relieves the inhibition the transcription factor SBF whose 

    target genes include the additional cyclins, Cln1 and Cln2. These two cyclins 

    complete inactivation of Whi5 via a positive feedback loop that drives further cell 

    cycle progression (Eser et al., 2011). Activation of this feedback loop ensures 

    irreversible commitment to cell cycle progression (Charvin et al., 2010; Doncic 

    and Skotheim, 2013; Skotheim et al., 2008). Interestingly, the levels of the 

    upstream rate‐limiting cyclin Cln3 oscillate only weakly within the cell cycle and 

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  14 

    may be at constant concentration during early G1 (Tyers et al., 1993). Therefore, 

    Cln3 might be used to sense cell size via a titration mechanism.  

    Cln3 may be titrated against the genome itself, or specific binding sites. 

    Consistent with the later, cell size was shifted by a high‐copy plasmid containing 

    multiple SBF binding sites in a Cln3‐Whi5‐dependent manner (Wang et al., 2009). 

    In either case, Cln3‐Cdk complex, whose number is likely proportional to cell size, 

    would be titrated against a constant DNA yardstick. However, implications of 

    these Cln3‐titration conjectures remain largely untested.  

     

    1.6 Titration of DNA‐A in E. coli  

    Titration of regulatory molecules against a cellular component whose size is 

    invariant with growth has been proposed to regulate specific points of the 

    bacteria cell cycle (Chien et al., 2012). While any point in the cell cycle can 

    potentially be regulated via a size checkpoint, two specific points of control have 

    been identified through studies of E. coli and B. subtilis. Bacteria size control has 

    been reported to impact the onset of DNA replication and cell division.  In both 

    cases, a titration mechanism has been suggested for the origin of size‐dependent 

    cell cycle progression signals (Chien et al., 2012; Donachie, 1968; Teather et al., 

    1974). 

    To control replication, Donachie (Donachie, 1968) proposed that a constant 

    concentration activator would accumulate at the origins of replication. In this 

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  15 

    model, a regulator whose number increases with cell size would titrate against 

    the fixed number of origins to yield a size‐dependent activating signal. Consistent 

    with this model, cell size at the onset of replication in E. coli was similar 

    regardless of birth size and growth rate. Even in the case of the fastest growing E. 

    coli, where mass doubling outpaces the duration of replication so that large cells 

    contain multiple copies of partial genomes, replication is triggered at a constant 

    size‐to‐origin ratio (Donachie, 1968).  

    The most likely candidate for Donachie’s titrated replication activator is DnaA, 

    which binds cooperatively to origins to promote loading of the replication 

    machinery (Kaguni, 2006). Consistent with the DnaA‐titration model, the size‐to‐

    origin ratio at replication initiation is sensitive to DnaA expression levels 

    (Lobner‐Olesen et al., 1989). Furthermore, mutations affecting cell size at 

    division, but not cell growth rate, do not change DnaA concentration or the size at 

    which cells initiate replication. Mutations making cells twice as large lead to cells 

    containing twice the amount of DNA (Hill et al., 2012). Taken together, this 

    evidence suggests molecular titration as the most plausible mechanism for 

    coupling cell size to the onset of DNA replication in E. coli (Fig 1.4a).  

    In addition to coordinating S‐phase with cell size, E. coli may also coordinate cell 

    division with cell size (Chien et al., 2012). The accumulation of the constant 

    concentration regulator FtsZ at the cytokinetic ring could function as a titration 

    base cell size sensor (Chien et al., 2012; Teather et al., 1974). Since cell growth of 

    rod shaped bacteria maintains a constant width, the circumference at the midcell 

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  16 

    is constant. Thus, titration of FtsZ against the midcell perimeter could yield a 

    size‐dependent signal to initiate cytokinesis (Fig 1.4b).  

     

    Figure 1.4: Titration mechanisms for cell size measurement in bacteria.  a. ATPase 

    DnaA accumulates on origins of replication in a size dependent manner until a 

    critical threshold triggers replication. b. FtsZ accumulates at the site of 

    cytokinesis as the cell grows until a threshold triggering cytokinesis 

     

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  17 

    1.7 Geometric size sensing in fission yeast 

    Similar to E. coli, fission yeast are rod‐shaped and grow by lengthening at a 

    constant width so that volume is proportional to length (Mitchison, 2003).  It has 

    been proposed that fission yeast employ a spatial gradient of the mitotic inhibitor 

    Pom1 emanating from its poles to measure cell size geometrically via length 

    (Martin and Berthelot‐Grosjean, 2009; Moseley et al., 2009). In this model, 

    division ensues when the concentration of Pom1 dips below a critical 

    concentration at the midcell, which occurs at a specific cell length.  

    Pom1 regulates the mitotic trigger network centered on the competing kinase 

    and phosphatase pair Wee1 and Cdc25 that regulates Cdk activity. Pom1 inhibits 

    the Wee1‐inhibitory kinases Cdr1 and Cdr2, which localize to specific nodes at 

    the midcell (Deng and Moseley, 2013). As a cell grows, the gradient in Pom1 from 

    the poles ensures that its concentration at the midcell decreases, which could 

    allow Cdr1 and Cdr2 to inactivate Wee1 and thereby promote mitotic entry. 

    Perturbations of the Pom1 gradient result in both changes to the Cdr2 

    distribution and cell size (Bhatia et al., 2013; Hachet et al., 2011; Martin and 

    Berthelot‐Grosjean, 2009; Moseley et al., 2009).  

    However, several recent results have begun to cast doubt on the gradient model. 

    First, the length scale of the exponential Pom1 gradient (~1.5µm) appears to be 

    too short to accurately measure the length of a >10µm cell (Saunders et al., 

    2012). Second, the gradient has a difficult time explaining why the DNA‐to‐

    cytoplasm ratio is maintained in fission yeast cells of different ploidy and in 

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  18 

    temperature sensitive cytokinesis mutants (Neumann and Nurse, 2007). Third, in 

    fission yeast mutants of different width, volume at mitosis was more variable 

    than area, suggesting a surface area‐based model (Pan and Chang in publication).  

    Finally, cell size control occurs, albeit a bit less effectively, in cells lacking 

    regulation of Cdk1 by Wee1 and Cdc25, indicating that the Pom1 pathway is not 

    the only size control mechanism (Coudreuse and Nurse, 2010; Wood and Nurse, 

    2013). 

    1.8 The ease of generating titration based size sensors 

    To link growth and proliferation, size sensing mechanisms regulate cell cycle 

    transitions, which are typically switch‐like and associated with threshold 

    ultrasensitive responses. Switch‐like transitions are used to ensure coordination 

    of downstream responses. For example, switch‐like increases in Cdk activity 

    ensure the coherent transcription of G1/S phase regulators, the all‐or‐none 

    replication of the genome during S phase, and the robust phosphorylation of 

    mitotic targets (Ferrell et al., 2009; Georgi et al., 2002; Koivomagi et al., 2011; 

    Skotheim et al., 2008; Yang et al., 2013b).  

    Under some conditions titration mechanisms can directly generate ultrasensitive 

    responses (Buchler and Louis, 2008). For example, titration with a high affinity 

    stoichiometric inhibitor can generate an ultrasensitive response curve. Consider 

    two proteins A and B that bind to form an inactive complex AB. The response can 

    be characterized as the amount of active A as a function of the total amount of A 

    given a fixed amount of B. For high affinity interactions with B, low amounts of A 

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  19 

    will be fully inactivated by B. However, for increasing amounts of A, the inhibitor 

    B is eventually titrated out so that above a threshold the amount of active A 

    increases rapidly. In the case of DNA‐binding proteins, such as DnaA high affinity 

    decoy sites (Kitagawa et al., 1996) could serve the purpose of stoichiometric 

    inhibitors as these sites will be occupied before the relevant target site and 

    therefore titrate out the regulator to create an ultrasensitive response. 

    Although titration mechanisms can produce ultrasensitivity, they need not 

    generate the switch themselves. Graded upstream signals can be converted 

    downstream in order to produce a switch‐like response. For example, positive 

    feedback loops at the G1/S and G2/M transitions convert small changes in the 

    upstream kinase input signal to dramatic increases in downstream kinase activity 

    associated with the next cell cycle phase (Pomerening et al., 2003; Skotheim et al., 

    2008). In case of budding yeast, a graded Cln3 signal is coupled via Whi5 to a 

    Cln1/2 positive feedback response in order to generate a sharp transition in Cdk 

    activity. Thus, downstream switches can generate threshold responses thereby 

    alleviating any such requirement on the upstream size‐dependent signal. 

    Whether ultrasensitive or not, titration‐based size sensors are relatively easy to 

    generate. All they require is one component that is produced proportionally to 

    cell size and another that is constant. Many proteins fit the profile for the titrated 

    molecule because the majority of proteins and RNAs are found at roughly 

    constant concentration during the cell division cycle. This is supported by the fact 

    that 

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  20 

    et al., 1998; Whitfield et al., 2002). Furthermore, a genome wide analysis of GFP 

    tagged ORFs in budding yeast concluded that most of the variability in protein 

    abundance arose from variations in cell size (Newman et al., 2006). This is a 

    natural consequence of larger cells having more protein and that the proportions 

    of most protein species remain relatively constant during cell growth. Any one of 

    these “cell cycle independent” proteins could potentially be titrated against a 

    constant “yardstick” to yield a size sensor. 

    Constant “yardsticks” are much less common within growing cells because, much 

    like proteins, the majority of organelles scale with cell size. For example, nuclear 

    size is always 8‐10% of cell size in yeast mutants (Neumann and Nurse, 2007; 

    Zhao et al., 2008). In contrast, DNA is a promising candidate because its amount 

    is fixed for all segments of the cell cycle except S‐phase. Moreover, size scales 

    with DNA content in many experimental and endogenous contexts as discussed 

    above. Thus, most DNA binding proteins could potentially be employed as a size 

    sensor. 

    Cell size is one of the most basic and defining features of a given cell type, yet the 

    molecular mechanisms underlying its control have remained elusive. We are 

    excited by recent work revisiting this long‐standing problem. Here, this chapter 

    reviewed current understandings of size sensing mechanisms and highlighted the 

    potential of titration‐based mechanisms. However, because of the ease with 

    which size‐dependent signals might be generated by any constant concentration 

    DNA binding protein, we do not expect conservation of the specific regulatory 

  •  

    CHAPTER I: INTRODUCTION TO CELL SIZE CONTROL  21 

    molecules. One important context in which titration‐based cell size sensors are 

    likely employed is a developmental transition known as the mid‐blastula 

    transition (MBT). 

     

  •  

    CHAPTER II: TITRATION AND THE MID‐BLASTULA TRANSITION  22 

    Chapter II: Titration and the mid‐blastula 

    transition 

    2.1 The maternal to zygotic transition (MZT) To successfully develop from a single fertilized cell into a functioning adult, cells 

    within a dividing embryo must shift from utilizing maternally contributed mRNAs 

    and  proteins  to  expressing  zygotically  encoded  genes,  which  is  known  as  the 

    Maternal to Zygotic Transition (MZT). In most species, the MZT switch is abrupt 

    and  involves  large‐scale degradation of maternal RNAs  in addition  to activation 

    of zygotic transcription (Tadros and Lipshitz, 2009). The MZT occurs at different 

    stages of development in different species. In mammals, the transition occurs as 

    early  as  the  two‐cell  stage  (Piko  and  Clegg,  1982).  Drosophila  undergo  14 

    syncytial nuclear divisions before the zygotic genome becomes active. Zebrafish 

    divide  10  times,  while  Xenopus  divide  12  times  prior  to  the  MZT  (Kane  and 

    Kimmel, 1993; Newport and Kirschner, 1982a).  

     

    The MZT  is  the period when  the embryo becomes dependent on  zygotic  genes. 

    Although several genes critical for later development have been shown to escape 

    global transcriptional repression prior to the MZT (Merrill et al., 1988; Skirkanich 

    et  al.,  2011;  Yang  et  al.,  2002), most  are  not  (Heyn  et  al.,  2014;  Lecuyer  et  al., 

  •  

    CHAPTER II: TITRATION AND THE MID‐BLASTULA TRANSITION  23 

    2007; Tan et al., 2013; Yang et al., 2013a). Moreover, many maternal transcripts 

    are degraded at the MZT and must be replaced by their zygotic counterparts. For 

    example, around 35% of all maternal  transcripts are destabilized at  the MZT  in 

    Drosophila  (De  Renzis  et  al.,  2007).  Although maternal  RNAs  are  deadenylated 

    throughout early development their destruction does not occur until the onset of 

    zygotic  transcription  in many  organisms  including Xenopus  (Audic  et  al.,  1997; 

    Bashirullah et al., 1999; Duval et al., 1990). In fish, the MZT‐controlled microRNA 

    mir‐430 marks its targets via their three prime UTRs for destruction (Giraldez et 

    al., 2006), while in flies, the MZT‐controlled protein Smaug destabilizes RNAs by 

    binding their three prime UTRs (Tadros et al.). 

     

    Several  transcription  factors  are  critical  for  zygotic  genome  activation.  In 

    Drosophila, a  class of pre‐  and early post‐MZT genes has been  identified whose 

    promoters  contain  heptad  repeats  which  bind  the  transcriptional  regulators 

    Zelda, and Grainyhead (De Renzis et al., 2007; Harrison et al., 2010; Liang et al., 

    2008).  Zelda  competes  with  Grainyhead  to  bind  a  conserved  CAGGTAG  cis‐

    regulatory  element  in  the  promoters  of  numerous  developmental  genes. 

    Depletion  of  Zelda  and  overexpression  of  Grainyhead  results  in  major 

    developmental  defects  due  to  a  failure  to  express  Zelda  targets  at  the  MZT 

    (Harrison  et  al.,  2010;  Liang  et  al.,  2008).  Zelda  appears  to  work  as  a  general 

    transcriptional  regulator  in  combination  with  other  transcription  factors  that 

    determine spatial and temporal expression (Kanodia et al., 2012; Pearson et al., 

    2012 2012). Interestingly, Zelda binds its target enhancers several cycles before 

  •  

    CHAPTER II: TITRATION AND THE MID‐BLASTULA TRANSITION  24 

    transcription  is  initiated  and  its  abundance  is  predictive  of  expression  levels 

    during  ZGA.  This  led  to  the  suggestion  that  Zelda  is  a  “pioneer  transcription 

    factor”  that  marks  early  genes  for  activation  (Harrison  et  al.,  2011;  Satija  and 

    Bradley,  2012).  The  transcription  factors Nanog,  Pou5f1  (Oct4),  and  SoxB1  are 

    present on early genes in zebrafish and have been suggested to play a similar role 

    in vertebrates (Lee et al.; Leichsenring et al.).  

     

    However,  while  necessary,  pioneer  transcription  factors  cannot  explain 

    important aspects of  transcriptional activation such as the dependence of many 

    transcripts  on  the  ratio  of  DNA  to  cytoplasm.  Interestingly,  in  Drosophila  two 

    classes  of  genes  are  activated  at  the MBT.  One  class  is  likely  controlled  by  the 

    time  after  fertilization,  while  others  are  controlled  by  the  DNA‐to‐cytoplasmic 

    ratio  (Lu  et  al.,  2009).  These  results  indicate  that  multiple  mechanisms  and 

    pathways could contribute to the MZT in Drosophila.  

     

    2.2 The mid‐blastula transition and titration 

    In a large number of organisms, including flies, fish, and frogs, the MZT coincides 

    with  a  more  general  developmental  transition  known  as  the  Mid‐Blastula 

    Transition (MBT) (Tadros and Lipshitz, 2009). The MBT is found in a number of 

    organisms with large, externally developing eggs. The MBT is characterized by a 

    transition  from  rapid  synchronous  cell  divisions  without  transcription  to 

    asynchronous cell cycles containing growth phases and zygotic transcription.   

  •  

    CHAPTER II: TITRATION AND THE MID‐BLASTULA TRANSITION  25 

     

    It  is  not  currently  known  whether  these  processes  are  interdependent  or 

    whether they are separately controlled. It has been suggested that the rapid cell 

    cycles  of  the  early  embryo  prevent  transcription  because  there  is  insufficient 

    time to initiate and elongate transcripts between each cell cycle without growth 

    phases  (Howe  et  al.,  1995;  Kimelman  et  al.,  1987;  Newport  et  al.,  1985). 

    Consistent with this hypothesis, substantial inhibition of transcription in Xenopus 

    embryos  had  no  effect  on  cell  cycle  elongation  at  the  MBT  (Newport  and 

    Kirschner, 1982a). However, early transcription at the MBT has been shown to be 

    important  for  G1  acquisition  in  Zebrafish  embryos  (Zamir  et  al.,  1997).  In 

    Drosophila, the number of syncytial divisions appears to be controlled by zygotic 

    transcripts  including  the  Cdc25  regulator  tribbles  (Di  Talia  et  al.,  2013;  Farrell 

    and O'Farrell,  2013;  Farrell  et  al.;  Sung  et  al.,  2013).  Thus,  understanding  how 

    changes  in  cell  cycle  timing,  transcriptional  activation  and  the  acquisition  of 

    motility  are  coordinately  controlled  at  the  MBT  is  an  important  unresolved 

    problem.  

     

    Several  compelling  experiments  suggest  that  the  ratio  of  DNA  to  cytoplasm 

    controls  the MBT. Each round of DNA replication prior  to  the MBT doubles  the 

    DNA  concentration while  the  cytoplasmic  volume  remains  constant  due  to  the 

    lack of  cell growth  in  the early embryo. Artificially altering  the DNA content by 

    creating  polyspermic  embryos,  injecting  exogenous  DNA,  or  initiating 

    development  in  haploid  cells  shifts  the  timing  of  the MBT  as  predicted  by  the 

  •  

    CHAPTER II: TITRATION AND THE MID‐BLASTULA TRANSITION  26 

    DNA‐to‐cytoplasm ratio (Newport and Kirschner, 1982a; Newport and Kirschner, 

    1982b).  Perhaps  the  most  convincing  demonstration  of  the  importance  of  the 

    DNA‐to‐cytoplasm ratio was performed by Newport and Kirschner (Newport and 

    Kirschner, 1982a). In this experiment, they constricted a newly fertilized embryo 

    to  restrict  the  nucleus  to  one  half  of  the  embryo  for  2  cell  divisions  and  then 

    allowed  a  single  nucleus  from  the  nuclear  side  of  the  embryo  to  reenter  the 

    anucleate  side.  The  nucleated  side  of  the  embryo  had  undergone  both  nuclear 

    and  cell  divisions  and  thus  contained  cells  with  a  much  higher  nuclear  to 

    cytoplasmic  ratio  than  the originally  anucleate  side.  Significantly,  the  cells with 

    higher nuclear  to cytoplasmic ratio underwent  the MBT approximately 2 cycles 

    earlier than cells in the other half of the embryo, providing strong evidence that 

    the  DNA‐to‐cytoplasm  ratio  is  crucial  to  MBT  timing.  These  experiments  also 

    show that pre‐MBT embryos are capable of transcription but that transcription is 

    repressed.  These  observations  have  lead  to  the  hypothesis  that  a  repressive 

    factor  present  in  the  early  embryo  is  titrated  out  by  the  DNA.  However,  a 

    definitive  test of  this model  through  the  identification of  the  factors controlling 

    transcription has remained an outstanding question in developmental biology. 

     

    2.3 Potential titrated factors at the MBT 

    A molecular understanding of how transcriptional activation is governed by the 

    DNA‐to‐cytoplasmic  ratio  is  essential  for  understanding  the  coordination 

    between  cell  cycle  changes  and  transcription  at  the  MBT.  Several  candidate 

  •  

    CHAPTER II: TITRATION AND THE MID‐BLASTULA TRANSITION  27 

    factors have been  implicated as part of  the  transcriptional  repressor activity  in 

    the  embryo.    Chromatin  components  were  first  proposed  as  the  potential 

    titratable  factor(s)  due  to  the  observation  that  exogenous  DNA  is  rapidly 

    incorporated  into  chromatin  (Almouzni  et  al.,  1990;  Almouzni  et  al.,  1991; 

    Newport  and  Kirschner,  1982b;  Prioleau  et  al.,  1994).  Coinjection  of  histones 

    with exogenous DNA reduces the ability of that DNA to be transiently transcribed 

    in Xenopus embryos, but these experiments cannot differentiate whether histones 

    themselves are inhibiting transcription rather than simply facilitating the binding 

    of  another  factor  (Almouzni  and  Wolffe,  1995).  Another  chromatin  factor,  the 

    DNA methyl  transferase,  xDnmt1  has  also  been  proposed  to  regulate  the MBT. 

    Knockdown  of  xDmnt1  has  a  modest  effect  on  transcription  onset  and  is  only 

    expressed  in one half of  the embryo,  indicating  that  it cannot be  the sole  factor 

    responsible  for  pre‐MZT  transcriptional  repression  (Dunican  et  al.,  2008; 

    Stancheva and Meehan, 2000).  

     

    More recently, two sets of factors have been implicated in S‐phase lengthening at 

    the Xenopus MBT.  The first is the protein phosphatase 2 (PP2A) regulatory 

    subunit, B55α. PP2A is an important suppressor of ATR, which signals to inhibit 

    origin firing in response to replication stress. ATR slows S‐phase at high DNA 

    concentrations in vitro. This appears to be due to limiting quantities of PP2A at 

    high DNA concentrations as exogenous PP2A restores rapid S‐phases in vitro 

    (Murphy and Michael, 2013). However, it is unclear if PP2A is, in fact limiting in 

    vivo. Furthermore, the function of S‐phase checkpoints does not appear to 

  •  

    CHAPTER II: TITRATION AND THE MID‐BLASTULA TRANSITION  28 

    depend on transcription (Dasso and Newport, 1990) and there the regulation of 

    their acquisition and the other aspects of the MZT such as transcription may be 

    independent.  

    The other set of proposed S‐phase regulators are the replication factors Cut5, 

    RecQ4, Treslin, and Drf1. These factors become unstable at the MBT, and appear 

    to be limiting well below the DNA concentrations present at the MBT in vitro. 

    Greater than five fold overexpression of these four factors in combination is able 

    to induce one additional fast S‐phase in vivo (Collart et al., 2013). The fact that 

    these factors become unstable at the MBT suggests that they are likely 

    downstream of the titrated factor, though this remains to be tested. 

    Nearly  three  decades  after  Newport  and  Kirshner  first  proposed  the  titratable 

    factor  hypothesis,  its  molecular  underpinnings  are  still  unclear.  Although  the 

    factors  discussed  above  all  have  their  merits,  each  was  identified  through  a 

    specific candidate approach, and none has been conclusively shown to be titrated 

    at the MBT.  

     

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  29 

    Chapter III: Histone titration times the 

    MBT  

    3.1 Recreating the MBT in vitro 

    To identify the mechanism by which embryos sense the DNA‐to‐cytoplasm ratio, 

    we developed a cell free system for Xenopus ZGA where we could directly 

    manipulate the ratio of DNA to cytoplasm. We added varying concentrations of 

    purified sperm chromatin into a constant volume of cytosolic extracts from 

    unfertilized Xenopus eggs and used 32P‐α‐UTP to measure RNA synthesis (Fig. 

    3.1b). The addition of sperm chromatin to the extract induced transcription 

    dependent on DNA concentration, as predicted by the titration model. Moreover, 

    the threshold DNA concentration required for transcriptional activation in 

    extract (~50 ng/µl) (Fig. 3.1c,d) was strikingly similar to the DNA concentration 

    present in embryos at ZGA (~48 ng/µl). We controlled for the effects of 

    increasing the number of sperm transcriptional template in the extract by 

    keeping the sperm number constant and varying the extract volume (Fig. S1). We 

    measured a similar threshold DNA‐to‐cytoplasmic ratio indicating that the 

    observed transcripts are responsive to this ratio and not among the small 

    number of genes known to escape repression prior to ZGA(Skirkanich et al., 

    2011; Tan et al., 2013; Yang et al., 2002) The most abundant transcript we 

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  30 

    observed off of the sperm chromatin (Fig. 3.1c) is approximately 180‐220 

    nucleotides, predominantly single stranded based on its ribonuclease sensitivity, 

    and likely a Pol III transcript based on its sensitivity to transcriptional inhibitors 

    (Fig. S2).  This transcript is likely Sat I/OAX, a 181 nucleotide Pol III‐mediated 

    transcript activated at the MBT, and previously observed to be highly expressed 

    from sperm chromatin in Xenopus egg extract (Kimelman et al.; Wolffe, 1989). 

    Preliminary qPCR results suggest that this transcript increases more than a 

    thousand fold in transcribing compared to transcriptionally inhibited extracts 

    (data not shown).* 

    In order to determine if nonspecific DNA could induce transcription, as has been 

    observed in Xenopus embryos(Newport et al.), we added λ‐phage DNA to our cell 

    free system in the presence of low numbers of reporter sperm nuclei. We found 

    that λ‐DNA was sufficient to induce transcription from the sperm nuclei in a 

    dose‐dependent manner with a threshold similar to the sperm chromatin alone 

    (Fig. 3.1e). λ‐DNA alone was not transcribed likely due to a lack of suitable 

    Xenopus promoters (data not shown). These experiments indicate that titration of 

    the transcriptional inhibitory activity is not DNA sequence specific and does not 

    require the titrating DNA to be a template for transcription.  

    Because DNA binding proteins are likely candidates for a DNA titratable inhibitor 

    of transcription, we tested whether we could deplete the inhibitory activity from 

    extracts using DNA as an affinity reagent. To do this, we coupled non‐specific 

                                                            * Sat I qPCR experiments preformed by David Jukam 

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  31 

    plasmid DNA to magnetic beads and added these DNA‐beads to an extract so that 

    there was a 5‐fold excess of DNA above the threshold required for transcriptional 

    activation. We then removed the DNA‐beads and any associated factors and 

    measured the transcriptional response of sperm chromatin titrated into the 

    extract. We found that extracts depleted with DNA‐beads activated transcription 

    at lower concentrations of sperm DNA than mock depleted controls (Fig. 3.1f,g). 

    This is consistent with the removal of an inhibitory factor by the DNA‐beads. 

    To determine if factor removed from extract retained its activity, we moved DNA‐

    beads from one extract to another and assayed for transcription (Fig. 3.1h). If 

    transfer occurred, DNA‐beads saturated with inhibitory activity from a first 

    extract would be unable to titrate out additional inhibitor in a second extract. 

    Since the bead‐associated DNA is not transcribed in extracts, we added small 

    quantities of sperm chromatin as a reporter for transcription. DNA‐beads 

    pretreated with extract were unable to induce transcription, consistent with a 

    transcriptional inhibitor binding to the DNA‐beads (Fig. 3.1i). Loss of titration 

    ability was not due to DNA degradation because DNA‐beads boiled after 

    incubation in the first extract regained their ability to titrate out the inhibitory 

    activity from the second extract (Fig. S3). 

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  32 

     

    Figure 3.1. in vitro transcription is sensitive to the DNA‐to‐cytoplasmic ratio via a 

    titratable transcriptional inhibitor. a. A schematic of the titratable factor 

    hypothesis(Newport and Kirschner, 1982b). A maternally loaded inhibitor is 

    titrated against an exponentially increasing amount of DNA until a threshold is 

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  33 

    reached to initiate zygotic transcription. b. Experimental design for (c), (d), and 

    (f): a constant volume of extract is titrated against variable quantities of sperm 

    chromatin. c. A representative autoradiograph of new transcription above a 

    threshold DNA concentration. Transcription in d, e, f and h was quantified using 

    the indicated boxed band. d. The mean transcriptional response to increasing 

    amounts of sperm chromatin. Transcription initiates above 50ng sperm DNA/µl 

    of extract. e. Titration of lambda‐DNA into egg extract activates transcription 

    from reporter sperm chromatin at a similar DNA concentration as in (d). f. and h. 

    Schematics of experiments corresponding to panels (g) and (i) respectively. DNA‐

    beads are used to bind, deplete and transfer the inhibitory activity in egg extracts. 

    g. Extracts depleted of a transcriptional inhibitor with DNA coated beads (purple 

    curve) activate transcription at a lower sperm concentration than extracts 

    exposed to beads not coupled to DNA (green curve). i. DNA coated beads pre‐

    incubated in an extract are unable to induce transcription in a naïve extract 

    (orange curve) compared to DNA‐beads pre‐incubated with buffer (green curve). 

    Transcription is measured from reporter sperm chromatin. All error bars 

    represent SEM.  

     

    3.2 Unbiased biochemical purification 

    To identify the transcriptional inhibitor, we biochemically fractionated the egg 

    extract and tested the activity of each fraction by adding DNA‐beads to each 

    fraction and assaying the DNA’s ability to induce transcription in naïve extract 

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  34 

    (Fig. 3.2a, Methods, Fig. S4). Two fractions from the purification’s final 

    chromatographic step exhibited the bulk of the inhibitory activity and contained 

    4 protein bands as observed by silver staining. These bands were identified by 

    mass spectrometry as histones H3 and H4 (Fig. 3.2b; Supplemental table) with 

    the slower mobility bands containing ubiquitinated forms of H4. 

    The titration hypothesis predicts that the titratable factor should be present in 

    the embryo at a relatively constant concentration, but should be depleted from 

    the cytoplasm over the course of the cleavage divisions. To test this, we examined 

    the concentrations of H3 and H4 in whole embryos by western blot at time points 

    starting immediately after fertilization until approximately 4 hours post‐MBT. 

    The total embryo concentrations for both H3 and H4 do not increase over this 

    time period while the DNA concentration increases exponentially, suggesting that 

    cytoplasmic histone stores are likely being depleted during the MBT in vivo (Fig. 

    3.2c,d).  

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  35 

     

    Figure 3.2. Isolation of histones H3 and H4 as the inhibitory activity. a. Top: 

    autoradiograph of the transcriptional inhibition activity of fractions from the 

    final size exclusion step of the purification. Fractions 8 and 9 show inhibitory 

    activity. Bottom: Silver‐stain gel of the proteins bound to the beads in each 

    fraction. b. and c. Histone H3 (c) and H4 (d) protein levels normalized to tubulin 

    levels throughout early embryonic development. For each time point, n=3; error 

    bars represent SEM. 

     

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  36 

    3.3 Effects of histones in extracts 

    If histones H3/H4 are the inhibitory factors titrated during division, then 

    increasing histone concentration in the extract should increase the threshold 

    amount of DNA required for transcription. Adding bacterially produced H3/H4 

    increased the amount of DNA required to activate transcription in a dosage‐

    dependent manner (Fig. 3.3a). We observed a linear trend over a 4‐fold 

    concentration range in the relationship between the amount of histone H3 in the 

    extract and the amount of DNA required to activate transcription (Fig. 3.3b). 

    H3/H4 addition also inhibited transcription from plasmid DNA (Fig. S5a) and 

    although H2A/H2B dimers could inhibit transcription they did so less efficiently 

    than H3/H4 (Fig. S5b). The bacterially purified histones we use are not post‐

    translationally modified indicating that any histone modifying enzymes that 

    contribute to transcriptional inhibition in this assay must be present in 

    concentrations that are not rate limiting.  

    We tested whether depleting histones from the extract would reduce the amount 

    of DNA required for transcriptional activation. We removed histones using DNA‐

    beads (histone immunodepletion is inefficient from egg extracts) and found that 

    transcription initiated at lower DNA concentrations (Fig. 3.1f; 3.3c). The specific 

    addition of purified H3/H4 tetramers to these depleted extracts restored the DNA 

    threshold to mock‐depleted levels (Fig. 3.3c, d), strongly supporting histones as 

    the titrated inhibitory molecule.  

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  37 

     

    Figure 3.3. H3/H4 tetramers set the threshold for transcriptional activation in 

    extract. a. Increasing the levels of histone H3 and H4 in egg extracts increases the 

    concentration of sperm chromatin required to induce transcription. b. The 

    concentration of DNA required for transcription activation scales roughly linearly 

    with histone concentration for both sperm chromatin (blue circles) and λ‐phage 

    DNA (red diamonds). Each point represents a titration as depicted in (a). Points 

    above dashed line had thresholds beyond the detection limit. c. Depletion of 

    histone H3/H4 with DNA‐beads reduces the amount of DNA required to activate 

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  38 

    transcription (purple curve) compared to the control (green curve), and adding 

    back H3 and H4 restores the transcriptional response (blue curve). d. 

    Relationship between histone concentration and amount of DNA required for 

    transcriptional activation as described in (b) for add‐back experiments depicted 

    in (c). Histone H3 concentrations were quantified by Western blot.  

     

    3.4 Histone reduction and the MBT in vivo 

    We tested whether reducing histone H3 levels in embryos altered the timing of 

    the MBT in vivo using morpholinos(Szenker et al.). Histone H3 reduction by 40‐

    56% at 7.5 hours post fertilization (Fig. S6) caused premature initiation of the 

    MBT. Both cell cycle period lengthening and cell cycle asynchrony begin earlier, 

    resulting in larger cells (Fig. 3.4a,c; Fig. S7)†. Despite initiating one cell cycle 

    earlier, H3 morphant embryos displayed otherwise normal cell cycle lengthening 

    across the MBT (Fig 3.4d and S7). Ultimately, most H3 morphants died during 

    gastrulation as previously reported(Szenker et al.) (89/92 morphant vs 3/31 

    control embryos; Fig. 3.4b).  

                                                            † Data quantified by David Jukam 

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  39 

     

    Figure 3.4. Reduction of histone H3 causes premature initiation of the MBT in vivo. 

    a. H3 morphant embryos appear normal until the MBT when they display 

    increased cell cycle lengthening and larger cells compared to controls. The 

    location of the zoomed panels is marked by the black box. b. H3 morphant 

    embryos die at gastrulation. c. The cumulative effect of longer cell cycles results 

    in larger cells and therefore lower cell density in the H3 morphant embryos (H3 

    MO) compared to control injected embryos (Control). Data shown for 215 

    minutes after the 9th division (n=3 embryos) d. H3 morphant embryos display 

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  40 

    early cell cycle lengthening compared to control embryos. The mean and cell 

    cycle duration increases one cell cycle early in H3 morphant embryos compared 

    to control morpholino. Circles represent embryos that did not reach a 15th 

    division before the movie limit. All data shown for >15 cells per embryo, with 3 

    control embryos and 4 H3 morphant embryos from the same clutch. The box 

    height represents 25th to 75th percentile, and the centerline represents the 

    median. The whiskers extend to the furthest data point that is not an outlier. 

    Asterisks (*) represent p‐values less than 10‐4 Outliers are plotted as diamonds. 

    Results from two similar experiments are shown in Figure S7. 

    3.5 Supplemental material 

     

    Figure S1. DNA‐to‐cytoplasm ratio controls transcription. Extract volume was 

    varied (as labeled on top x‐axis) while the quantity of sperm chromatin was kept 

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  41 

    constant (1µg per sample), resulting in indicated ratios of DNA to cytoplasm 

    without varying the quantity of template. Reactions containing less extract 

    resulted in greater total transcription.  

     

    Figure S2. The major sperm chromatin transcript is a single stranded Pol III product. 

    Concentrations of α‐amanitin or actinomycin D as indicated were added during 

    the transcription reaction. The low sensitivity of our product to both inhibitors 

    indicates that it is likely a Pol III transcript. The purified RNA was incubated with 

    DNase, inactive RNase H‐D10A, RNase H, RNase III, or RNase A and showed the 

    greatest sensitivity to RNase A indicating that the product is likely single 

    stranded, and comparisons with non‐radiolabeled RNA ladder suggest it is a 

    transcript between 180‐220 nt long. 

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  42 

     

     

    Figure S3. Inhibitory activity can be removed from extract‐treated DNA. DNA‐beads 

    were exposed to crude extract and then boiled or left on ice. DNA‐beads that had 

    been boiled regained their ability to titrate out factor in a fresh extract indicating 

    that boiling removed the inhibitory factor. 

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  43 

     

    Figure S4. Intermediate gels during biochemical purification. a. Titration of DNA 

    beads treated with buffer, crude extract, or high speed extract shows that both 

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  44 

    crude and high‐speed extract are able to inhibit the ability of beads to induce 

    transcription in a fresh extract. b. Flow through and elute of dilute high speed 

    extract from Q‐ and S‐columns bound in 20mM KCl and eluted with 1M KCl 

    indicates that under these conditions the inhibitory factor binds the S‐column but 

    not the Q‐column. c. Flow through from Q‐column in 20mM KCl directly bound by 

    S‐column. Fractions result from an 8‐fraction linear gradient from 20mM to 1M 

    KCl elution and the same Q‐column eluted with 1M KCl. These results indicate 

    that the inhibitory factor does not come off the S‐column until high KCl 

    concentrations and does not bind the Q‐column. d. Similar to (c), flow through 

    from Q‐column in 20mM KCl directly bound by S‐column and was then washed 

    with 400mM KCl. Fractions result from an 8‐fraction linear gradient from 400mM 

    to 1M KCl elution. The fractions marked with an asterisk were collected, pooled, 

    concentrated, and run over a gel filtration column as in (f). e. Schematic of the 

    final resulting biochemical purification used to isolate the inhibitory factor. f. The 

    final output of the total purification protocol resulting from running fractions 

    prepared as in (d) over a gel filtration column. 

     

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  45 

     

    Figure S5. H3/H4  inhibits transcription. a. H3/H4 tetramers are able to inhibit 

    transcription from Xenopus U6 plasmid DNA indicating that the observed effect is 

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  46 

    not specific to sperm DNA. b. H2A/H2B dimers were also able to inhibit 

    transcription, but not as efficiently as H3/H4 tetramers.  

     

     

    Figure S6. H3 Morpholinos reduce H3 concentrations at the MBT.  Dilution series of 

    control injected and H3 morphant embryos for the three experiments shown in 

    Fig. S7. Embryos produced 56, 41, and 40% reduction in H3 normalized to 

    tubulin loading controls compared to control injected embryos respectively. 

     

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  47 

     

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  48 

    Figure S7. H3 Morphant embryos display early MBT in multiple independent 

    experiments. Three independent clutches with 2‐3 control embryos and 3‐4 H3 

    morphant embryos. A minimum of 15 cells were counted from each embryo. All 

    experiments show an early cell cycle lengthening in the morphant embryos as 

    compared to controls from the same clutch. Experiment 1 is also displayed in Fig. 

    3.4.  

       

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  49 

     

    Band  Protein ID  Type Number of hits 

    1  H4_XENLA  H4  14 

    1  H32_XENLA  H3  6 

    1  H2B11_XENLA  H2B  3 

    1  H33_XENLA  H3  3 

    1  H2AV_XENLA  H2A  2 

    1  A2BDA0_XENLA  H4  2 

    1  H2AZL_XENLA  H2A  1 

    1  H2A1_XENLA  H2A  1 

    2  H32_XENLA  H3  16 

    2  H4_XENLA  H4  12 

    2  H2B11_XENLA  H2B  7 

    2  CENPA_XENLA  H3  5 

    2  Q6PH89_XENLA  H2A  3 

    2  H33_XENLA  H3  3 

    2  UBIQP_XENLA  Ubiquitin  3 

    2  Q6DKE3_XENLA  H2A  2 

    2  H2A1_XENLA  H2A  2 

    2  A2BDA0_XENLA  H4  1 

    2  Q3KQC9_XENLA  Ribosomal  1 

    3  H4_XENLA  H4  11 

    3  1433T_XENLA  12‐3‐3 theta  4 

    3  Q7T0R9_XENLA  Ribonuclear  4 

  •  

    CHAPTER III: HISTONE TITRATION TIMES THE MBT  50 

    3  UBIQP_XENLA  Ubiquitin  4 

    3  H32_XENLA  H3  3 

    3  RAN_XENLA  Ran GTPase  3 

    3  RS8_XENLA  Ribosomal  3 

    3  H33_XENLA  H3  2 

    3  RL10A_XENLA  Ribosomal  2 

    3  A2BDA0_XENLA  H4  1 

    3  PSA7A_XENLA  Proteasome subunit  1 

    3  Q6AZR7_XENLA  Proteasome subunit  1 

    3  Q8AVT2_XENLA  Ribonuclear  1 

    4  H4_XENLA  H4  10 

    4  Q7T0R9_XENLA  Ribonuclear  5 

    4  H32_XENLA  H3  3 

    4  UBIQP_XENLA  Ubiquitin  3 

    4  EF1B_XENLA Elongation fact (translation)  1 

    4  A2BDA0_XENLA  H4  1 

    4  Q68A88_XENLA  Proteasome subunit  1 

    Table of mass spectrometry results: Total results from mass spectrometry of 

    bands shown in Fig. 3b, including the number of unique reads identified for each 

    protein. 

  •  

    CHAPTER IV: METHODS  51 

    Chapter IV: Methods 

    Transcription assay: 32P‐α‐UTP was added to interphase extracts or without 

    DNA and bacterially purified histones as indicated. RNAs were extracted using 

    either Qiagen RNAeasy kits or Tripure (Roche). RNA samples were run on a 5% 

    acrylamide, 8M urea gel and exposed to a phosphor screen overnight. Pixel 

    intensity within the band denoted in Fig. 3.1c was quantified after background 

    subtraction using ImageJ (NIH). Background subtraction was preformed using an 

    identical region below the end of the same lane. All titration series were 

    normalized to a reaction lacking DNA. The threshold for transcriptional 

    activation was defined as the first point 1.5 fold above the no DNA sample.  

    H3 Morpholinos: H3 (which target both H3.2 and H3.3) and control morpholinos 

    (previously described(Szenker et al.)) were injected four times distributed 

    equally around the animal cap with ~5nl of 1mM morpholino per injection.   

    Measurement of histone levels: Equal protein concentrations were separated 

    by SDS‐PAGE and transferred to polyvinylidenefluoride membrane in CAPS 

    transfer buffer. Membranes were incubated in rabbit anti‐H3 (1:1000; Millipore: 

    04‐928), 2 μg/ml rabbit anti‐H4 (Abcam: ab7311), or 0.25 μg/ml mouse anti‐

    tubulin (Sigma‐Aldrich: T9026), washed and then incubated for a minimum of 

    one hour in Alexa Fluor 488– or Alexa Fluor 647–conjugated goat anti–rabbit or 

  •  

    CHAPTER IV: METHODS  52 

    anti–mouse antibodies (1:2,500; Invitrogen). Fluorescence was quantified in 

    Image J. Histone concentrations were normalized to tubulin loading controls.  

    Xenopus egg extract and sperm chromatin: Preparation of extracts was 

    performed as previously described(Desai et al., 1999). 750µM CaCl2 was added 

    to release the extracts into interphase. To monitor new transcription, 50nl/µl of 

    10mCi/ml or 12.5nl/µl of 40mCi/ml 32P‐α‐UTP (Perkin Elmer BLU507H or 

    BLU507Z) was added to each extract. Clarified extracts were prepared as in 

    ref.(Desai et al., 1997). Briefly, crude extracts not containing 32P‐α‐UTP or CaCl2 

    were spun for a second time at 50,000RPM in a Beckman SW55Ti rotor for 2 

    hours at 4°C. The clear middle layer was extracted using a 22g needle. 

    DNA immobilization: pBluescript DNA was cut using EcoRI and BamHI (New 

    England Biolabs) and end filled using klenow (NEB) and biotin‐dATP 

    (Invitrogen). DNA was coupled to streptavadin dynabeads (Invitrogen: Cat# 

    65305) following the protocol outlined in (Hannak and Heald, 2006). For factor 

    and histone depletion assays, ~250ng/µl DNA on beads was incubated in 

    interphase extract at 4°C for 1‐2 hours and then removed. In assays that transfer 

    the factor(s) from one extract or fraction to another, DNA‐beads were first 

    incubated in an excess of extract or fraction for 1‐2 hours, and then added to a 

    fresh extract at ~50ng/µl. 

    Transcription assay: Interphase extracts containing 32P‐α‐UTP were prepared 

    as described above and distributed into 20µl aliquots with or without DNA and 

  •  

    CHAPTER IV: METHODS  53 

    bacterially purified histones as indicated. Histones were purified as previously 

    described (Guse et al., 2012; Luger et al., 1997). In cases where sperm chrom