DeCOP - Koordination genetischer Rekombination in Pflanzen

Zusammenfassung Allgemeiner Teil Sexuelle Reproduktion beginnt mit einer spezialisierten Zellteilung, der Meiose, bei der das Genom eines Organismus in generativen Zellen auf die Hälfte reduziert wird und chimäre Chromosomen, zusammengesetzt aus vormals mütterlichen und väterlichen Erbgutanteilen, entstehen. Bei der meiotischen homologen Rekombination (HR) werden die elterlichen Chromosomen kontrolliert geschnitten und neu zusammengefügt. Das Schneiden wird von einem Proteinkomplex mit dem SPO11 Protein als zentralen Mediator durchgeführt. Die Schnittstellen stellen auch potentielle Regionen zukünftigen genetischen Austausches dar ("crossover" CO). Allerdings wird in einer individuellen meiotischen Zelle nur ein kleiner Teil der eingeführten Doppelstrangbrüche (DSBs) so repariert, dass chimäre Chromosomen entstehen. Die meisten DSBs werden auf anderem Wege, wie z.B. über Schwesterchromatiden, repariert. Die Zahl und die Position von genetischen Austäuschen in einer Zelle (COs) unterliegen strikter Kontrolle: jedes homologe Chromosomenpaar bekommt zumindest ein CO pro Meiose und andere Mechanismen (CO Interferenz) sorgen dafür, dass weitere COs nicht in der Nähe gebildet werden. Darum sind COs entlang von Chromsomen relativ gleichmäßig weit voneinander entfernt. Ein tiefergehendes Verständnis dieser Vorgänge ist nicht nur von grundlegendem, wissenschaftlichem Interesse, sondern könnte auch dazu dienen, Züchtungsprogramme von Nutzpflanzen zielgerichteter und schneller durchzuführen. In den letzten Jahren hat sich die Meioseforschung in Pflanzen eher auf das Auffinden und Charakterisieren von einzelnen Faktoren konzentriert, die in separaten Prozessen in der Meiose, wie zum Beispiel der HR oder der Organisation des meiotischen Chromatins (Achsen und Synaptonemaler Komplex) eine Rolle spielen. Wenngleich diese Studien wichtige Erkenntnisse geschaffen haben, so ist weiterhin unklar wie die einzelnen Prozesse in der Meiose koordiniert werden um genetische Rekombination zu ermöglichen. Das vorliegende kollaborative Projekt (DeCOP) konzentriert sich auf genetische Rekombination (DSB und CO Ausbildung) im Kontext der Chromatinstruktur und möchte dynamische Prozesse der Chromatinreorganisation nach dem DNS-Bruch und die Konsequenzen auf den Austausch genetischer Information studieren. Im speziellen wird 1) ein innovativer, genetischer Screen zur Identifikation neuer CO Faktoren durchgeführt, 2) die Rolle von "Achsen" Proteinen im Bezug auf CO Ausbildung und Interferenz untersucht, 3) die Rolle von (ATM/ATR vermittelter) Phosphorylierung in der Koordination meiotischer DNA Reparatur und CO Ausbildung untersucht, und es werden 4) neue Faktoren im finalen Schritt der CO Ausbildung identifiziert. Die im DeCOP Projekt studierten Mechanismen werde signifikant zu einem tieferen Verständnis jener Netzwerke in Pflanzen führen die DSB und CO Ausbildung kontrollieren. Weiters werden die hier beschriebenen Ansätze moderne Strategien in Pflanzenzüchtungsprogrammen zugute kommen. Zusammenfassung Projektteil Peter Schlögelhofer Peter Schlögelhofer (Projekt Partner 1) wird das DeCOP Projekt koordinieren und in alle vier Teilprojekte involviert sein. Er wird jenen Projektteil (Task 3) leiten, der sich der Rolle von ATM/ATR abhängiger Phosphorylierung meiotischer DNA Reparatur und CO Proteine widmet. Der erste Teil der vorgeschlagenen Studie baut auf früheren Ergebnissen auf. Wir planen in einem genetischen "Screen" Kandidaten zu finden, die die Funktion von DMC1 (transient) blockieren und gleichzeitig Zielproteine der ATR Kinase sind. Weiters planen wir, in Kollaboration mit Partner 2 (Karl Mechtler), in einem "Proteom"-weiten Ansatz alle Zielproteine der mutmaßlichen, pflanzlichen CHK2 Kinase zu finden, die ihrerseits ein Zielprotein von ATM/ATR ist. Diese Ansätze werden uns erlauben, die Signalkasakde von DNA Schäden in Pflanzen, nachzuzeichnen. Weiters wird Peter Schlögelhofer, so wie alle anderen Partner auch, unterschiedliche Gene/Proteine die im DeCOP Projekt in genetischen "Screens" identifiziert wurden, im Detail untersuchen.

Das Verbundprojekt ERA-CAPS DeCOP (Delineating the crossover control networks in plants) wurde von sechs europäischen Forschungsgruppen (P. Schlögelhofer - AUT, Koordinator; K. Mechtler - AUT; I. Henderson - UK; H. Puchta - GER; E. Sanchez-Moran UK; Ch. Franklin -UK) gemeinsam durchgeführt. Im Mittelpunkt stand die Untersuchung der Koordination von meiotischer Rekombination und Chromosomenorganisation um die Häufigkeit und Verteilung des Austausches genetischer Informationen während der Meiose bei Pflanzen zu kontrollieren. Meiose ist eine spezielle Form der Zellteilung, die für sexuelle Fortpflanzung erforderlich ist. Sie gewährleistet die Reduktion des Genoms und die Rekombination von mütterlichen und väterlichen Chromosomensegmenten bei der Bildung generativer Zellen. Meiotische Rekombination wird durch programmierte DNA- Doppelstrangbrüche (DSBs) eingeleitet, welche die Positionen des genetischen Austausches definieren. In einer einzigen meiotischen Zelle ist jedoch nur ein kleiner Teil der DSBs dazu bestimmt, genetische Übergänge (cross overs, COs) zu bilden, während der Rest über andere Mechanismen repariert wird. In diesem Projekt haben wir 1) neue Faktoren identifiziert, die die CO-Bildung und meiotische Interferenz beeinflussen, 2) die Rolle von Chromosomenachsen-assoziierten Proteinen bei der CO-Reifung und Interferenz untersucht, 3) die Rolle der (ATM/ATR/CK2-vermittelten) Phosphorylierung bei der Koordination der DNA-Reparatur bestimmt und 4) Proteine identifiziert, die am letzten Schritt der meiotischen CO-Bildung beteiligt sind. Besonders hervorzuheben sind folgende Ergebnisse: mit dem Protein ASY4 wurde ein neues meiotisches Achsenprotein identifiziert (Chambon et al., 2018); PCH2 wurde als wichtiger Modulator der meiotischen Chromosomenstruktur in Pflanzen identifiziert (Lambing et al., 2015); es wurde XL-MS (cross linking mass spectrometry) etabliert und zur Untersuchung eines meiotischen Proteinkomplexes herangezogen (Rampler et al., 2016; Orban-Nemeth et al., 2018); es wurden neuartige Phosphorylierungsstellen auf meiotischen Achsenproteinen (Osman et al., 2018) identifiziert; die Kinase CK2 wurde in einer umfangreichen phospho-proteom Studie als wichtige DNA Reparaturkinase etabliert (Schropp et al., in Vorbereitung); weiters fanden wir, dass die Verfügbarkeit von HEI10 (E3 Ligase) positiv mit der CO-Frequenz korreliert (Ziolkowski et al., 2017) und dass DNA- Methylierung und Nukleosomen-dichte, -identität und -modifikationen meiotische DSB Orte und Frequenz definieren (Choi et al, 2018; Underwood et al, 2018; Yelina et al, 2015). Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses europäische Forschungskonsortium wesentlich zum Verständnis meiotischer Vorgänge in Pflanzen beigetragen hat. Die Koordination der Forschung vermied Konkurrenz und Redundanz. Der Austausch von Ideen, Know-how und Forschungsmaterialien und die regelmäßigen Treffen der beteiligten Forscher stimulierten neue Forschungsrichtungen und zukünftige Kooperationen.