Meiose in einem Ciliaten-System

Meiose findet man bei Angehörigen aller eukaryontischen Verwandtschaftsgruppen. Sie dient der Produktion haploider Zellen welche selber zu Gameten differenzieren oder sie durch Mitosen bilden. Die Gameten verschmelzen zur Zygote mit der eine neue diploide Generation ihren Ausgang nimmt. Trotz der starken Konservation der Meiose über große verwandtschaftliche Distanzen, können selbst nahe verwandte Arten beträchtliche Unterschiede in diesem Prozess zeigen. Zum Beispiel ist nicht bei allen Organismen Rekombination zwischen homologen Chromosomen Voraussetzung für ihre Paarung, und nicht alle brauchen den Synaptonemalen Komplex (SC) zur Stabilisierung dieser Paarung. In diesem Projekt wollen wir die gegenwärtigen Vorstellungen vom kleinsten gemeinsamen Nenner der Eigenschaften die alle bekannten Meiosen verbindet hinterfragen. Diese Sicht resultiert aus der Studium einer recht begrenzten Zahl von Modellorganismen aus dem Pflanzen-, Tier- und Pilzreich. Wir wollen Tetrahymena thermophila als meiotisches Modellsystem etablieren und insbesondere die Chromosomenpaarung und Rekombination bei diesem Organismus studieren. Tetrahymena ist ein bewimperter Protist, der evolutionär weitab von den üblichen meiotischen Modellsystemen steht. Er bietet etliche Vorteile (wie induzierbare und hoch synchrone Meiosen, einen optional vegetativen Fortpflanzungszyklus, Transformierbarkeit, sowie seine Eignung für cytologische Analysen). Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass bei diesem Organismus die Meiose mit einer extremen Verlängerung der Zellkerne beginnt. In diesen fadenförmigen Kernen sind die Chromosomen Bukett-artig angeordnet wobei die Telomere sich an einem Ende und die Centromere sich am anderen Ende versammeln. In diesem Stadium erfolgt die Chromosomenpaarung sowie der Beginn der Rekombination. Ein SC konnte bei Tetrahymena nicht gefunden werden. Die genauere Untersuchung dieser höchst ungewöhnlichen Meiose wird sicherlich unser Verständnis der Mechanismen der Chromosomenpaarung verbessern. Zudem zeigen Ciliaten einen Kerndualismus mit einem amitotischen somatischen Makronucleus und einem generativen Mikronukleus, welcher Mitosen und Meiosen durchführt. Das bietet die Möglichkeit, die Rolle des Cohesins bei der Organisation der Chromosomenachsen in zwei fundamental unterschiedlichen Kerntypen zu vergleichen, und dadurch seine besondere Rolle bei der meiotischen Chromosomenpaarung zu klären. Zum Zweck des Studiums der Meiose von Tetrahymena wollen wir meiotische Gene "ausknocken" und die Folgen ihres Fehlens auf das Verhalten der Chromosomen in der Meiose untersuchen. Für die fernere Zukunft ist geplant, diese Untersuchungen auf andere Ciliaten auszudehnen. Aus der Vielfalt der Meiosevarianten bei diesen exotischen Organismen werden wir etwas über die Entstehung der Gemeinsamkeiten und Unterschiede in den rezenten Meiosen lernen, und schliesslich die Evolution der Meiose selbst besser verstehen.

Nahezu alle eukaryotischen Organismen produzieren auf dem Weg der Meiose haploide Geschlechtszellen, welche bei der Befruchtung zur Zygote verschmelzen. Auf diese Weise entsteht die nächste diploide Generation. Trotz der Konservierung des meiotischen Prozesses, können Details selbst bei nahe verwandte Organismen beträchtlich variieren. Wir haben Tetrahymena thermophila als neues Modellsystem zum Studium der Meiose eingeführt und untersuchen in diesem Organismus vor allem die meiotische Chromosomenpaarung und Rekombination. Hinter unserer Arbeit steht vor allem die Frage, ob unser bisheriges Wissen über die Meiose aus Untersuchungen einer begrenzten Zahl von Organismen allgemeingültig und umfassend ist. Tetrahymena ist ein bewimperter Protist, ähnlich dem Pantoffel"tierchen", und steht damit Pflanzen, Tieren und Pilzen stammesgeschichtlich fern. Bemerkenswerterweise besitzt Tetrahymena keinen Synaptonemalen Komplex, jene charakteristische Struktur die bei der meiotischen Paarung ausgebildet wird und fast allen Organismen gemeinsam ist. Unsere früheren Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die meiotischen Zellkerne bei Tetrahymena extrem stark (auf das Doppelte des Zelldurchmessers!) verlängern. Hier nun konnten wir zeigen, dass in diesen fadenförmigen Kernen die Chromosomen Bukett-artig angeordnet sind, wobei sich die Centromere an einem und die Chromosomenenden am gegenüberliegenden Ende des Kerns befinden. Es wird allgemein angenommen, dass zwei paraloge Proteine, Rad51 und Dmc1, an der Bildung von Nucleofilamenten mit einzelsträngiger DNA beteiligt sind und den meiotischen Austausch homologer DNA Stränge bewirken. Bei Tetrahymena fanden wir an der DNA nur Dmc1 in nennenswerten Mengen. Wir schliessen daher, dass Dmc1 die primäre Rolle bei der Paarung und Rekombination spielt. Weiters haben wir untersucht, wie meiotisch induzierte DNA Doppelstangbrüche zu Crossovers, dem Austausch von Chromosomenstücken, führen. In allen bisher untersuchten Organismen gibt es im Wesentlichen zwei molekulare Pfade vom Doppelstrangbruch zum Crossover. Meistens sind sie mehr oder weniger redundant, bei der Spalthefe ist jedoch nur einer verwirklicht, beim Nematoden Caenorhabditis der andere. In Tetrahymena dürfte ebenfalls nur die Spalthefe-Variante vorliegen. Dieser Prozess kommt mit Faktoren aus, die auch bei der Reparatur von DNA-Schäden in nicht meiotischen Zellen eine Rolle spielen. Er ist daher wesentlich einfacher, und es ist interessant, dass Tetrahymena und Spalthefe trotz ihrer grossen entwicklungsgeschichtlichen Distanz, ähnliche Wege zu einer vereinfachten Meiose gefunden haben. Alles in allem hat unsere Studie gezeigt, dass die Meiose (und damit eine der Grundlagen der geschlechtlichen Reproduktion) zwar ein entwicklungsgeschichtlich hoch konservierter Prozess ist, aber dass sich einzelne Abläufe stärker unterscheiden können, als die wenigen bisher untersuchten Organismen vermuten lassen.