Übergang von meiotischen DNA Brüchen zu genetischem Informationsaustausch

Seit mehr als 10000 Jahren werden Nutzpflanzen angebaut, wobei auf lokale Anpassung, hohe Erträge und weitere Eigenschaften selektioniert wird, um die Ernährungssicherung zu gewährleisten. Diese Bemühungen werden stetig fortgeführt und sind in der heutigen Zeit durch kontrollierte Pflanzenzüchtungsprogramme ausgearbeitet. Es wurde jedoch schon vor langer Zeit erkannt, dass nicht alle vorteilhaften Eigenschaften einer bestimmten Nutzpflanze, die in verschiedenen Unterarten vorkommen, 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 mütterlichen Chromosomen hervorgebracht. 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 DSB zu verstehen. Projektpartnerdes 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, wann ein DSB an einer bestimmten Stelle im Chromosom zur Ausbildung eines Austauschpunkts, eines sogenannten crossing-over (CO), für genetisches Material führt. Die am Projekt MEIOREC beteiligten Forschungsgruppen haben ein Forschungsvorhaben erstellt, das verschiedene Aspekte des Überganges der DSB zu CO experimentell analysieren und aufklären soll. Die Arbeitsgruppe von Karl Mechtler am Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie wird mit Hilfe von Massenspektrometrie (MS) verschiedene Eigenschaften von Proteinkomplexen untersuchen, die am Vorgang der HR beteiligt sind. Diese Proteinkomplexe werden von den Projektpartnern des Konsortiums aufgereinigt. Unter Anwendung modernster MS Techniken werden Interaktionsstellenzwischen einzelnen Proteinen identifiziert, die in Proteinkomplexen zusammenwirken. Es ist geplant, hier neue Reagenzien und MS Methoden zu etablieren, um die bestehenden Protokolle zu verbessern. Zusätzlich ist vorgesehen, eine zur MS alternative Methode -sog Peptid-Arrays- einzusetzen, um detaillierte Studien zu Bindungsstellen zwischen Proteindomänen durchführen zu können. Schließlich wird mit Hilfe von MS untersucht werden, ob verschiedene Modifikationen an Proteinkomplexen, die eine wichtige Rolle im Aufbau der Chromosomenstruktur in der Meiose spielen, in bestimmten Phasen des meiotischen Zellzyklus in ihrem Vorkommen zu- bzw abnehmen. Daraus kann dann möglicherweise auf Modifikationen geschlossen werden, die einen Einfluss auf den Vorgang der Rekombination haben.

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. Der Prozess der meiotischen Rekombination beginnt mit kontrollierten Doppelstrangbrüchen (DSB) in der DNA, die von einem Proteinkomplex mit dem Spo11 Protein als zentralen Mediator durchgeführt werden. Die Schnittstellen stellen auch potentielle Regionen zukünftigen genetischen Austausches dar ("crossover" - CO). Allerdings ist in einer individuellen meiotischen Zelle nur ein sehr kleiner Anteil der eingeführten DSBs dazu bestimmt CO zu bilden, der Großteil der DSBs wird durch andere Mechanismen ohne genetischen Austausch repariert. In Pflanzen werden mehr als 90% der DSBs ohne CO repariert. Insbesondere in Getreidearten ist die Verteilung der COs nur auf bestimmte Regionen in den Chromosomen konzentriert. Das limitiert die genetische Variation, die in jeder meiotischen Teilung entstehen kann. Es ist noch nicht vollständig erforscht, wie der Übergang von einem DSB an einer bestimmten Stelle im Genom zu einem CO Ereignis kontrolliert wird bzw wie dieser optimiert werden kann. Die Entschlüsselung der Faktoren, die die Bildung von DSBs und deren Prozessierung zu CO Ereignissen kontrollieren, ist von grundlegendem, wissenschaftlichem Interesse und könnte auch wichtige Auswirkungen auf die Züchtungsprogramme von Nutzpflanzen haben. Das vorliegende kollaborative Projekt (Meiorec) konzentrierte sich auf die Identifizierung von Faktoren, die die Bildung von DSBs kontrollieren. Weiters wurden die Schritte der DSB Prozessierung zum CO und dessen Auflösung untersucht und Strategien zur Manipulation von CO Ereignissen in Modell Pflanzenarten evaluiert. Die Arbeitsgruppe von Karl Mechtler am Forschungsinstitut für Molekulare Pathologie identifizierte mit Hilfe von Massenspektrometrie (MS) die Bindungspartner und Modifikationsmuster verschiedener meiotischer Proteinkomplexe. Zusätzlich wurden auf Vernetzungschemie ("cross-linking") basierende MS-Methoden weiterentwickelt, um die Positionen von Protein Interaktionen und dynamische Strukturänderungen in Proteinkomplexen detektieren zu können. Darüber hinaus wurden MS Präparations- und Analysemethoden für Proben bestehend aus nur wenigen Zellen etabliert und optimiert, die auf meiotisches Probenmaterial angewandt werden können, das in nur begrenzter Zellzahl gewonnen werden kann.