Übergang von meiotischen DNA Brüchen zu genetischem Informationsaustausch

Seit mehr als 10 000 Jahren züchten Menschen Pflanzen und selektionieren für lokale Adaption, hohe Erträge und weitere günstige Eigenschaften um die Sicherheit der Lebensmittelversorgung aufrecht zu halten. Diese Bemühungen halten immer noch an, nun jedoch in kontrollierten Züchtungsprogrammen. Es wurde jedoch schon vor langer Zeit erkannt,dass nicht alle vorteilhaften Eigenschaften einer bestimmten Nutzpflanzenart, die in verschiedenen Unterarten vorkommen mögen, in einer einzelnen Pflanze kombiniert werden können. Erst vor kurzem wurden die molekularen Grundlagen dafür erkannt, die mit bestimmten Prozessen in der Meiose zusammenhängen. Meiose ist eine besondere Form der Zellteilung, bei der vor der Bildung der Keimzellen die Anzahl der Chromosomen halbiert wird. Während der Meiose werden im Prozess der homologen Rekombination (HR) neue Kombinationen aus Abschnitten der väterlichen und mütterlichenChromosomenhervorgebracht. Dazu müssen zuvor Doppelstrangbrüche (DSB) in der DNA erzeugt werden. In früheren Studien wurden große Anstrengungen unternommen, um die beteiligten Faktoren und den Mechanismus der Entstehung von meiotischen DSBs zu verstehen. Projektpartner des MEIOREC Konsortiums haben hierzu maßgeblich beigetragen. Die Bildung der meiotischen DSBs ist Voraussetzung für den Austausch der elterlichen Erbinformation, aber nur an 10% der Bruchstellen findet auch wirklich ein Austausch statt. Es ist nicht geklärt, unter welchen Umständen ein DSB an einer bestimmten Stelle im Chromosom zur Ausbildung eines Austauschpunkts, eines sogenannten crossing-over (CO), für genetisches Material führt.Die amProjekt MEIORECbeteiligtenForschungsgruppenhaben ein Forschungsprojekt erstellt, das verschiedene Aspekte des Überganges von einem DSB zu CO experimentell analysieren und aufklären soll. Die projektierten Arbeiten der Forschungsgruppe von Dr. Schlögelhofer (Max F. Perutz Laboratories, Universität Wien) sind in diese übergreifenden Ziele eingebettet. Er und seine Mitarbeiter steuern ein wichtiges molekulares Werkzeug bei, dass in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana schon erfolgreich getestet wurde. Es ermöglicht das gezielte Einführen von künstlichen meiotischen Doppelstrangbrüchen an ausgewählten Stellen im Genom. Diese führen zu einer gesteigerten CO-Rate die einfach ausgelesen werden kann. Nun können systematisch und quantitativ bestimmte Faktoren getestet werden welche die CO-Rate an diesen Stellen positiv oder negativ beeinflussen. Dr. Schlögelhofer und seine Mitarbeiter werden im Speziellen jene Protein untersuchen die meiotische DSBs prozessieren und auch die molekularen Maschinen die deie eigentlichen DNA Strangaustäusche durchführen. Langfristig sollen alle gewonnenen Erkenntnisse dabei helfen die reichhaltigen und nützlichen, in der Natur vorkommenden, genetischen Eigenschaften in erfolgreichen Nutzpflanzen zu kombinieren.

Seit mehr als 10 000 Jahren züchtet der Mensch Nutzpflanzen und selektiert auf lokale Anpassungen, hohe Erträge und weitere Eigenschaften, um die Ernährungssicherheit zu gewährleisten. Diese Bemühungen werden nun von gut kontrollierten Pflanzenzuchtprogrammen begleitet. Es ist jedoch seit langem bekannt, dass nicht alle vorteilhaften Eigenschaften einer bestimmten Pflanzenart, die in verschiedenen Unterarten vorhanden sind, in ein und derselben Pflanze kombiniert werden können. Erst in jüngster Zeit beginnt sich die molekulare Grundlage für dieses Hindernis herauszukristallisieren, die mit spezifischen Prozessen während der Meiose zusammenhängt. Bei der Meiose handelt es sich um eine spezielle Zellteilung, bei der das Genom vor der Bildung der generativen Zellen reduziert wird. Während der Meiose werden durch den Prozess der homologen Rekombination (HR) neue Kombinationen zwischen Teilen der väterlichen und mütterlichen Chromosomen gebildet. Eine Voraussetzung für die HR sind DNA-Doppelstrangbrüche (DSBs). In der Vergangenheit wurden große Anstrengungen unternommen, um die Determinanten und Mechanismen der meiotischen DSB-Bildung zu verstehen, und die Mitglieder des MEIOREC-Konsortiums haben einen wichtigen Beitrag dazu geleistet. Obwohl meiotische DSBs für den späteren Austausch der elterlichen genetischen Information unerlässlich sind, stellen weniger als 10 % der meiotischen DSBs tatsächlich einen solchen Austauschpunkt dar. Es ist nicht klar, wie das Schicksal eines DSBs an einem bestimmten genomischen Locus bestimmt wird und was die Reifung eines meiotischen DSBs zu einem genetischen Austauschpunkt, einem Cross-over (CO), limitiert. Die MEIOREC-Forscher haben ein Forschungsprogramm entwickelt, um diesen Mangel an Verständnis zu beheben, und haben verschiedene Aspekte des Übergangs von DSBs zu COs experimentell untersucht. Zur Unterstützung der allgemeinen Ziele hat die Gruppe von Dr. Schlögelhofer, die an den Max Perutz Laboratories der Universität Wien angesiedelt ist, ein molekulares Werkzeug entwickelt, um die meiotische DSB-Bildung und den CO-Übergang eingehend zu untersuchen. Unter Verwendung der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana) als Modellsystem haben sie eine Reihe von Fusionsproteinen entwickelt, die die Bildung von meiotischen DSBs an bestimmten genomischen Loci ermöglichen. Diese führen zu einer signifikanten Erhöhung der genetischen Austauschraten an diesen Loci und ermöglichen nun eine systematische und quantitative Untersuchung der Faktoren und Bedingungen, die die Reifung von meiotischen DSBs zu COs fördern. Die Gruppe von Dr. Schlögelhofer untersuchte darüber hinaus die meiotische DSB-Maschinerie in Pflanzen und ihre spezifischen Eigenschaften. Schließlich untersuchten sie das Schicksal der meiotischen DNA-Reparatur in bestimmten genomischen Regionen, die nicht rekombinieren dürfen, um erfolgreiche Nachkommen zu erzeugen. Die genomischen Regionen, die für Komponenten einer wichtigen zellulären Maschine (die rRNAs der Ribosomen) kodieren, sind in mehrfacher Wiederholung kodiert, die erhalten werden muss. Die Schlögelhofer-Gruppe stellte fest, dass ein nicht-kanonischer DNA-Reparaturmodus diese Regionen spezifisch vor der ansonsten wichtigen meiotischen Rekombination schützt. Letztlich werden die gewonnenen Erkenntnisse es ermöglichen, die reichhaltigen Ressourcen der Natur zu nutzen, um eine größere Vielfalt an genetischen Kombinationen bei Nutzpflanzen für einen schnelleren Zuchtfortschritt zu erzeugen.