Die Biochemie meiotischer DSB Bildung in Pflanzen

Pflanzen stellen eine wesentliche Säule des Ökosystems der Erde dar und sind die wichtigste Quelle für die Ernährung des Menschen. Um zu verstehen wie sich Pflanzen entwickeln, um ihre wertvollen Eigenschaften zu nutzen und um intelligente Pflanzenzuchtprogramme zu entwickeln, müssen wir die molekularen Mechanismen der Meiose verstehen. Die Meiose ist eine spezialisierte, zweistufige Zellteilung, die die Reduktion des Genoms vor der Bildung von generativen Zellen sicherstellt. Während der Meiose wird die genetische Information zwischen mütterlichen und väterlichen Chromosomen gegenseitig ausgetauscht. Das führt zu neuen Kombinationen genetischer Merkmale in der folgenden Generation. Die meiotische Rekombination wird durch DNA-Doppelstrangbrüche (DSBs) eingeleitet. Spezifische DSB-fördernde Proteine, darunter das mit Topoisomerasen verwandte Protein SPO11, führen DSBs an verschiedenen Positionen im Genom ein. Spezielle DNA-Reparaturmechanismen sorgen dafür, dass die Brüche so repariert werden, dass mütterliche und väterliche Chromosomenteile gegenseitig ausgetauscht werden. Angesichts der Bedeutung des DSB-Bildungskomplexes bei der Bestimmung der Stellen und der Häufigkeit des genetischen Austauschs ist es überraschend, dass die biochemischen Eigenschaften dieses Komplexes noch nicht geklärt sind. Das vorgeschlagene Projekt zielt auf die gründliche Charakterisierung des meiotischen DSB- Komplexes der Modellpflanze Arabidopsis thaliana ab. Nachdem die heterologe Proteinproduktion für alle Komplexmitglieder erfolgreich gemeistert wurde, sind nun biochemische und strukturelle Analysen möglich. Die übergeordnete Frage ist, ob SPO11 (zusammen mit seinem Partner MTOPVIB) eine Typ-II-Topoisomerase-Reaktion oder eine Variation davon durchführt. Aktuelle Modelle der meiotischen Bruchbildung legen einen Reaktionsmodus nahe, bei dem SPO11 kovalent an das 5`-Ende der DNA an der Spaltstelle gebunden wird. Obwohl die Reversibilität dieser Reaktion prinzipiell möglich erscheint, wurde sie noch nie experimentell getestet. Das Verständnis der Biochemie der meiotischen DSB-Bildung ist der Schlüssel zu einem umfassenden Modell genetischer Rekombination.