Abstract The female meiotic spindles of most animals are acentrosomal and undergo striking morphological changes while transitioning from metaphase to anaphase. The ultra-structure of acentrosomal spindles, and how changes to this structure correlate with such dramatic spindle rearrangements remains largely unknown. To address this, we applied light microscopy, large-scale electron tomography and mathematical modeling of female meiotic C. elegans spindles undergoing the transition from metaphase to anaphase. Combining these approaches, we find that meiotic spindles are dynamic arrays of short microtubules that turn over on second time scales. The results show that the transition from metaphase to anaphase correlates with an increase in the number of microtubules and a decrease in their average length. Detailed analysis of the tomographic data revealed that the length of microtubules changes significantly during the metaphase-to-anaphase transition. This effect is most pronounced for those microtubules located within 150 nm of the chromosome surface. To understand the mechanisms that drive this transition, we developed a mathematical model for the microtubule length distribution that considers microtubule growth, catastrophe, and severing. Using Bayesian inference to compare model predictions and data, we find that microtubule turn-over is the major driver of the observed large-scale reorganizations. Our data suggest that in metaphase only a minor fraction of microtubules, those that are closest to the chromosomes, are severed. The large majority of microtubules, which are not in close contact with chromosomes, do not undergo severing. Instead, their length distribution is fully explained by growth and catastrophe alone. In anaphase, even microtubules close to the chromosomes show no signs of cutting. This suggests that the most prominent drivers of spindle rearrangements from metaphase to anaphase are changes in nucleation and catastrophe rate. In addition, we provide evidence that microtubule severing is dependent on the presence of katanin.

In metazoans, Polo Kinase (Plk1) controls several mitotic events including nuclear envelope breakdown, centrosome maturation and kinetochore assembly. Here we show that mitotic events regulated by Polo Like Kinase (PLK-1) in early C. elegans embryos depend on the mitochondrial-localized protein SPD-3. spd-3 mutant one-cell embryos contain abnormally positioned mitotic chromosomes and prematurely and asymmetrically disassemble the nuclear lamina. Nuclear envelope breakdown (NEBD) in C. elegans requires direct dephosphorylation of lamin by PLK-1. In spd-3 mutants PLK-1 levels are ~6X higher in comparison to control embryos and PLK-1::GFP was highly accumulated at centrosomes, the nuclear envelope, nucleoplasm, and chromosomes prior to NEBD. Partial depletion of plk-1 in spd-3 mutant embryos rescued mitotic chromosome and spindle positioning defects indicating that these phenotypes result from higher PLK-1 levels and thus activity. Our data suggests that the mitochondrial SPD-3 protein controls NEBD and chromosome positioning by regulating the endogenous levels of PLK-1 during early embryogenesis in C. elegans . This finding suggests a novel link between mitochondria and mitotic events by controlling the amount of a key mitotic regulator, PLK-1 and thus may have further implications in the context of cancers or age-related diseases and infertility as it provides a novel link between mitochondria and mitosis.