Chromosomenpaarung und Rekombination bei S. pombe

Die Meiose ist eine spezielle Zellteilung welche in Organismen mit sexueller Fortpflanzung die haploiden Keimzellen oder deren Vorläufer bildet. Die Vorgänge bei der Meiose sorgen einerseits für die Kontinuität bei der Weitergabe des Erbgutes, zum anderen bewirken sie die Neu-Kombination von Genen, wodurch sich die Nachkommen eines Elternpaares voneinander unterscheiden. Diese Vielfalt wiederum ermöglicht es der Selektion, als einer treibenden Kraft in der Evolution, wirksam zu werden. Die Paarung homologer Chromosomen ist ein wichtiger Schritt in der Meiose: Sie erlaubt den Austausch von Chromosomenstücken (Crossing-over) und gewährleistet in weiterer Folge die reduktionelle Segregation der Homologen. Die Paarung erfolgt in mehreren Schritten: Homologe Chromosomen erkennen einander, legen sich längsseitig aneinander und werden schließlich durch einen aufwändigen Proteinapparat, dem Synaptonemalen Komplex (SC), miteinander verbunden. Erst diese enge Verbindung erlaubt das Crossing over. Die Spalthefe Schizosaccharomyces pombe gehört zu einer kleinen Gruppe von Eukaryoten die keinen SC besitzen. Stattdessen finden sich fadenförmige, wenig differenzierte Gebilde, die sogenannten Linearen Elemente (LE) in den entsprechenden Stadien der Meiose. Bislang wurden erst einige Proteine der LEs identifiziert und als homolog zu Proteinen des SC erkannt. LEs gelten daher als evolutionäre Relikte des SC. Es ist jedoch nicht bekannt welche, im Vergleich zum SC wohl eingeschränkte, Rolle die LEs bei der Chromosomenpaarung spielen oder welches Stadium der LE Entwicklung mit welchen Prozessen auf Chromatin oder DNA Ebene korrespondiert. Es ist das vorrangige Ziel des gegenständlichen Projekts, weitere Komponenten der LEs zu identifizieren und eine räumliche und zeitliche Korrelation zwischen der Ausbildung der LEs und der Rekombination und Paarung der Chromosomen zu nachzuweisen. Durch das Studium des reduzierten Paarungsapparates der Spalthefe sollen der mindest erforderliche Satz an Proteinen und die minimalen strukturellen Erfordernisse für die Aktivierung der meiotischen Rekombination und die paarweise Anordnung der meiotischen Chromosomen identifiziert werden. Die Erkenntnisse aus dem Projekt sollen das Verständnis der meiotischen Paarung und Rekombination fördern.

Die Paarung homologer Chromosomen in der Meiose (das ist die Zellteilung bei der Geschlechtszellen gebildet werden) ist für ihre Aufteilung auf die Gameten und damit für den normalen Chromosomenbestand der Nachkommen wichtig. Beim Menschen führen Fehler bei diesem Vorgang zu angeborenen Defekten, Totgeburten oder abortierten Schwangerschaften. Eine zentrale Rolle bei der Chromosomenpaarung spielt eine Struktur aus mehreren Proteinen, der Synaptonemale Komplex. Er findet sich bei den meisten Eukaryoten. Eine der wenigen Ausnahmen ist die Spalthefe, Schizosaccharomyces pombe. Diese bildet einfachere Strukturen, die sogenannten Linearen Elemente (LinEs), von denen angenommen wird, dass sie die minimale für die Paarung nötige Ausstattung darstellen. Das Verständnis ihrer Zusammensetzung und Funktionsweise ist daher bedeutsam für das Verständnis der Chromo-somenpaarung bei allen Organismen. Aufbauend auf früheren Untersuchungen unserer Gruppe, hatte das Projekt das weitergehende Studium der LinEs zum Ziel. Neue Proteinkomponenten der LinEs wurden mittels eines Yeast two-hybrid Screen mit der LinE-Komponente Rec10 als Bait gefunden. Eine davon, die SUMO-Ligase Pli1, wurde weiter charakterisiert. Wir konnten zeigen, daß ein (noch nicht bekanntes) Protein der LinEs SUMOyliert wird, was eine posttranslationale Modifikation von Rec10 bewirkt. In weiterer Folge haben wir durch massenspektrometrische Analyse eines Rec10-enthaltenden Proteinkomplexes das Protein Mug20 als eine weitere Komponente der LinEs identifiziert. Trotz der Beendigung dieses FWF Projekts werden die Untersuchungen zur Funktion von Mug20 fortgeführt. In Zusammenarbeit mit Jürg Kohli (Universität Bern) wurde die Funktion der LinE Komponente Hop1 studiert. Es zeigte sich, daß Hop1 Teil eines Mechanismus ist, der die an sich sterisch begünstigte Schwesterchromatid-Rekombination gegenüber der erwünschten Homologen- Rekombination in der Meiose hintanhält. Bemerkenswerteweise hat das Fehlen der meisten dieser LinE Komponenten kaum einen negativen Einfluss auf auf die Lebensfähigkeit der Gameten, und die meiotische Rekombination ist nur mäßig herabgesetzt. Es scheint, dass LinEs für die sexuelle Reproduktion der Spalthefe unter Laborbedingungen nicht absolut nötig sind, dass sie aber wohl für das Bestehen wilder Populationen über evolutionäre Zeiträume von Vorteil sind.