F 34 - Franz Klein - Chromosome dynamics – unravelling the function of chromosomal domains

Sprecher:
Franz Klein

bewilligt: 2007

Universität/Forschungsstätte: Universität Wien

franz.klein(at)univie.ac.at

www.univie.ac.at/chromosomes/

Wie erhalten Chromosomen, in denen unsere Erbanlagen gespeichert sind, ihre erstaunliche Stabilität in Bezug auf Form und Information über viele Zellteilungen und Generationen trotz enormer struktureller Flexibilität und fast beliebiger Kombinierbarkeit bei sexueller Fortpflanzung? Das Geheimnis liegt in spezialisierten chromosomalen Abschnitten, wie zum Beispiel Kinetochoren, Schlaufen und Achsenregionen oder „Rekombinations-Hotspots“, in denen sie mit jeweils anderen Zellkernfaktoren interagieren, die spezielle Aufgaben übernehmen.
Der Spezialforschungsbereich „Chromosome Dynamics“ umfasst acht vom SFB finanzierte und vier assoziierte Forschungsgruppen, die chemische, biochemische, zellbiologische und genetische Fachkompetenzen sowie fünf verschiedene Modellorganismen einbringen. Um das zum jetzigen Zeitpunkt lückenhafte Wissen über chromosomale Bestandteile zu vervollständigen, werden bekannte Komponenten systematisch dazu herangezogen, unbekannte, interagierende Proteine mittels Dual-tag-Immunreinigung, gefolgt von Massenspektroskopie, zu identifizieren. Dafür werden nur Komponenten ausgewählt, deren Funktionen in genetischen oder biochemischen Experimenten als bedeutsam für den Metabolismus der Chromosomen erkannt wurden. Um die Interaktion der identifizierten Proteine mit den Chromosomen in lebenden Zellen zu beschreiben, kommt eine Technik zur Anwendung, die unter „ChIP on Chip“ bekannt ist. Dazu werden diese Proteine isoliert und daran gebundene DNA-Stücke gereinigt und vermehrt (Chromatin Immune Precipitation, ChIP). Die resultierende DNA wird auf DNA-Microarrays (Chips) hybridisiert, wodurch sich die Identität der DNA-Stücke feststellen lässt. Die CCC-Technik (chromosome conformation capture), aber auch Fluoreszenzmarker, die in die Chromosomen eingebracht werden, erlauben die Rekonstruktion verschiedener Aspekte der Chromosomenstruktur in vivo. Alle oben beschriebenen Vorgänge, sowohl der Proteinbindung als auch der Chromosomenfaltung, sind dynamischer Natur und müssen in den Kontext des Lebenszyklus der Zelle und der evolutionären Entwicklung gestellt werden. Der SFB, mit der von seinen Mitgliedern eingebrachten breiten Expertise und seiner Vielzahl an modernen, zum Einsatz kommenden Techniken, hat die besten Voraussetzungen, Fragestellungen wie die folgenden zu bearbeiten.
Aus welchen Molekülen ist das Kinetochor aufgebaut und wie funktioniert es?
(Das Kinetochor ist jener Chromosomenabschnitt, an dem die Schwesterchromosomen in die Tochterkerne gezogen werden.)
Wie wird Schwesterchromatidenkohäsion während der DNA-Replikation etabliert?
(Die Schwesterchromatidenkohäsion hält neu replizierte Chromosomen bis zur Zellteilung zusammen und ist Voraussetzung für die richtige Aufteilung der Chromosomen in Mitose und Meiose).
Wie wird die meiotische Rekombination initiiert?
(Zellen fügen sich selbst DNA-Brüche zu, um ihre Chromosomen identifizieren und paaren zu können. Vieles im molekularen Mechanismus der Bruchbildung und der Reparatur liegt noch im Dunkeln, aber auch die chromosomalen Adressen dieser Brüche sind in den meisten Organismen noch unbekannt. Auch ist unklar, welche Brüche zu Rekombination führen und welche nicht).
Neue Mitglieder im SFB haben auch neue Fragen eingebracht, z. B.:
Welche Proteine befinden sich an der Oberfläche kondensierter menschlicher Chromosomen und welche Funktionen werden dort benötigt?
Wie funktioniert das Mischen von Chromosomen bei ihrer Partnersuche – hier wurden Anker in der Kernmembran gefunden, die die Chromosomen im Kern mit beweglichen Elementen außerhalb des Kerns verbinden und so Bewegung in den Zellkern bringen.
Die im SFB durchgeführten Untersuchungen sind auch in das Bestreben eingebunden, die molekularen Mechanismen verschiedener genetischer Defekte beim Menschen zu verstehen. So ist die Fehlverteilung von Chromosomen der Hauptgrund für Fehlgeburten und Down-Syndrom. Weiters haben die meisten Krebszellen eine veränderte Chromosomenzahl. Wir sehen in unserer Arbeit einen wichtigen Beitrag zum Verständnis von Krankheiten, die auf Chromosomenfehlverteilung oder Genominstabilität beruhen.
Die erste Förderperiode war mit 51 internationalen Publikationen, darunter drei „Cell“- und zwei „Nature“-Forschungsartikeln außerordentlich erfolgreich, wodurch eine zweite Förderperiode des SFBs ermöglicht wurde.

Durchschnittlich beschäftigte NachwuchswissenschafterInnen
16    

Höhe der FWF-Förderung in der zweiten Förderperiode
3.078.444 €

Internationale Kooperationspartner

  • Frank Uhlmann, Chromosome Segregation Laboratory, London Research Institute, London, UK
  • Andrea Sinz, Institute of Pharmacy, Martin Luther University Halle, Germany
  • Christian Lehner, Department of Genetics, University of Bayreuth, Germany
  • Anthony Hyman, Max Planck Institute of Molecular Cell Biology & Genetics, Dresden, Germany
  • Masanori Mishima, Wellcome Trust/Cancer Research UK Gurdon Institute, University of Cambridge, UK
  • Kim Nasmyth, University of Oxford, UK
  • Katsuhiko Shirahige, Tokyo Institute of Technology, Japan
  • Alain Nicolas, Institut Curie, Paris, France
  • Michael Lichten, NIH, Bethesda, USA
  • Jan Ellenberg, EMBL Heidelberg, Germany
  • Mathilde Grelon & Christine Mezard, INRA Versailles, France
  • Tzvi Tzfira, University of Michigan, USA
  • Greg Copenhaver, UNC at Chapel Hill, USA
  • Lumir Krejci, Masaryk University, Brno, Czech Republic
  • Sue Armstrong & Eugenio Sanchez-Moran, University of Birmingham, UK
  • Raphael Mercier, INRA Versailles, France
  • Eva Nogales, UC Berkeley, Howard Hughes Medical Institute, USA


Principal Investigators (PI)

  • Karl Mechtler (IMP)
  • Daniel Gerlich (IMBA)
  • Verena Jantsch (MFPL)
  • Franz Klein (MFPL)
  • Jan-Michael Peters (IMP)
  • Peter Schlögelhofer (MFPL)
  • Stefan Westermann (IMP)
  • National collaborator: Gustav Ammerer (MFPL)

Associated PIs

  • Kikue-Tachibana Konwalski (IMBA)
  • Alexander Dammermann (MFPL)
  • Juraj Gregan (MFPL)
  • Dea Slade (MFPL)

Sprecher des SFBs
Franz Klein, Department für Chromosomenbiologie, Max F.-Perutz Laboratories, Universität Wien

franz.klein(at)univie.ac.at

Stellvertreter: Jan-Michael Peters, IMP

peters(at)imp.univie.ac.at

Website
www.univie.ac.at/SFBChromosomeDynamics/

f34.pdf(pdf, 81KB)

Kontakt
FWF – Der Wissenschaftsfonds
Haus der Forschung
1090 Wien, Sensengasse 1
T: +43/1/505 67 40-0, F: +43/1/505 67 39
office(at)fwf.ac.at
Sabine Haubenwallner
DW 8603, sabine.haubenwallner(at)fwf.ac.at