Die Funktion short ORF-entstammender Proteine in der Meiose

Im Gegensatz zu allen übrigen Körperzellen, die 46 Chromosomen besitzen, beinhalten Keimzellen (Gameten), zu denen im Menschen die Spermien und Eizellen zählen, nur 23 Chromosomen. Dies gewährleistet, dass der aus deren Verschmelzung im Zuge der Befruchtung resultierende Embryo eine normale Anzahl von 46 Chromosomen besitzt. Die Halbierung der Chromosomenzahl in Keimzellen erfolgt durch den Vorgang der Meiose, im Verlauf derer Chromosomen nach nur einer Duplikation zweimal hintereinander aufgetrennt werden. Die Meiose garantiert die sexuelle Reproduktion, genetische Diversität und langfristige Fitness von Organismen. Fehler in ihrem Ablauf führen zu Unfruchtbarkeit und gravierenden Geburtsfehlern, wie dem Down-Syndrom im Menschen. Die Ursachen dieser Fehler sind kaum bekannt, da wir bislang wenig über die zelluläre Kontrolle der Meiose wissen. Der Vorgang, durch den Gene angeschaltet werden, um Proteine, die primären zellulären Funktionseinheiten, zu produzieren, nennt man Genexpression. Diese wird während der Meiose streng reguliert, was mit drastischen morphologischen Veränderungen in der Zelle einhergeht und Produkte hervorbringt, die sich von der Mutterzelle unterscheiden. In meiotischer Bäckerhefe, einem repräsentativen Modellorganismus in der Meioseforschung, konnte die Synthese tausender bislang unbekannter kleiner Proteine festgestellt werden. Diese werden nach Vorgabe der in kurzen Genabschnitten, sogenannten short Open Reading Frames (sORFs), kodierten Information produziert und unterschreiten den historisch festgelegten Schwellenwert von 100 Aminosäuren, wodurch sie bisherigen Analysen stets entgangen waren. In der Hefemeiose werden 2555 sORFs abgelesen, wobei die Funktionen der entstehenden Proteine unbekannt sind. Deren Synthese läuft in engen Zeitfenstern ab, was auf spezifische und zeitlich begrenzte Funktionen hindeutet. Ich untersuche die Funktion dieser meiotischen Kurzpeptide, um wichtige Einblicke in die Regulierung der Meiose, sowie neue Erkenntnisse über die eukaryotische Genexpression zu gewinnen. Spezifisch plane ich, in die Synthese der kurzen Proteine einzugreifen und die Auswirkungen dieser Modifizierungen auf den Ablauf der Meiose zu untersuchen. Die im Zuge dieser Studie gewonnenen Daten werden mir ermöglichen, die Funktionen einer neuen Proteinenklasse zu identifizieren, sowie deren Bedeutung für die Meiose zu bestimmen und zu einem besseren Verständnis der molekularen Ursachen von Fehlern in der Meiose und deren Folgeerscheinungen, einschließlich Unfruchtbarkeit und Geburtsfehlern im Menschen, beitragen.

In dieser Studie wurde die Funktion von kurzen Sequenzen unserer Erbsubstanz untersucht, die bislang in allen Studien ignoriert wurden, aber basierend auf neuesten Ergebnissen vermutlich eine Rolle in gewissen Vorgängen in unserer Zellen spielen. Traditionell wird ein "Gen" als ein Abschnitt unserer Erbsubstanz verstanden, der aus mindestens 300 'Bausteinen' (Basenpaaren) besteht. Basierend auf dieser veralteten Idee der Konfiguration eines Gens wurden bislang kürzere DNA-Sequenzen, sogenannte short open reading frames (sORFs), generell ignoriert. Studien der letzten Jahre haben nun jedoch gezeigt, dass einzelne sORFs funktionell sind und in verschiedenen zellulären Vorgängen eine Rolle spielen. In einer groß angelegten Studie konnten wir sehen, dass in dem Modellorganismus Hefe während der Meiose, der speziellen Zellteilung von Keimzellen, die in Menschen Spermien und Eizellen hervorbringt, tausende sORFs abgelesen werden und wahrscheinlich eine meiotische Funktion ausüben. Dies ist auch von medizinischer Bedeutung, da Fehler in der Meiose zu Geburtsdefekten inklusive dem Down-Syndrom, sowie zu Unfruchtbarkeit führen. In meinen Studien habe ich die Funktionen der sORFs in meiotischen Hefezellen untersucht, indem ich deren Expression, d.h. das Ablesen dieser kurzen DNA-Abschnitte, sowohl unterdrückt, als auch vermehrt stattfinden habe lassen und analysiert, wie sich dieses Eingreifen auf den Vorgang der Meiose auswirkt. Hierfür habe ich im ersten Teil der Studie eine Abwandlung einer Methode angewandt, die sich eines bakteriellen Verteidigungsmechanismusses bedient, um fremde (für die Bakterien schädliche) DNA-Sequenzen zu vernichten, der CRISPR-Cas9 Technologie. In meiner modifizierten Methode (CRISPRi) wird die DNA, in meinem Fall die der sORFs, jedoch nicht zerstört, sondern nur in ihrer Expression gehemmt. Ich konnte zunächst in einer Kontrollstudie sehen, dass die Hemmung bereits bekannter meiotischer Gene zu einem Defekt in der Meiose führt, was die Anwendbarkeit der Methode bezeugte. In weiteren Schritten konnte ich einige sORFs identifizieren, die vermutliche eine meiotische Funktion besitzen, da die Zellen den Vorgang der Meiose langsamer ausführen konnten, wenn diese sORFs in ihrer Expression gehemmt waren. Meine Folgestudien werden zeigen, welche genaue Rolle diese sORFs spielen und deren zelluläre Funktion identifizieren. Im zweiten Teil der Studie habe ich die Expression der sORFs während der Meiose erhöht, in dem ich diese in vielen Kopien von einem Plasmid, einem Vektor, mithilfe dessen man DNA in Organismen einschleusen kann, produzieren ließ. Ich konnte sORFs identifizieren, deren vermehrte Produktion zu einem Defekt in der Meiose führten. Die zelluläre Funktion dieser versuche ich nun in weiteren Experimenten genauer zu definieren. Zusammenfassend haben meine Studien neue Abschniitte unserer Erbsubstanz, die bisher als unwichtig eingestuft wurden, als in der Meiose funktionell identifiziert und rücken sORFs ins Rampenlicht, aus dem sie die zurückliegenden Dekaden ausgeschlossen waren. Meine Daten zeigen auf, dass wir unsere traditionelle Vorstellung eines Gens überdenken müssen, um nicht von vornherein DNA-Sequenzen als überflüssig zu bewerten, die in Wahrheit eine bedeutende zelluläre Rolle spielen.