Kontrolle der epigenetischen Rekonfiguration in Pollen

Ein einzigartiges Merkmal der Gametogenese ist das Zurücksetzen der genetischen und epigenetischen Prägungen der Keimzellen in den ursprünglichen Zustand der Totipotenz. Die korrekte Weitergabe der epigenetischen Modifikationen des Genoms und die Weiterreichung von "small RNAs" an die nächste Generation ist essentiell für die Entwicklung von Säugetieren und Pflanzen. Nach neuesten Erkenntnissen finden genomweite, epigenetische Reprogrammierungsvorgänge in den Keimzellen von Säugern und Pflanzen statt, welche erhebliche Veränderungen des DNA-Methylierungsgrades sowie auch Veränderungen in der Dynamik des Chromatins bewirken. Die Zielsetzung der im Projektantrag beschriebenen Experimente ist es herauszufinden, wie diese Reprogrammierungsereignisse kontrolliert werden und welche Rolle sie im männlichen Gametophyten, dem Pollen, von Arabidopsis thaliana spielen. Insbesondere ist das Forschungsvorhaben darauf ausgerichtet, (1) die Funktion von aktiver DNA-Demethylierung im Pollen aufzuklären und (2) die Mechanismen zu beleuchten, welche die Dynamik des Chromatins im männlichen Gametophyten kontrollieren. Durch die genetischen und genomischen Forschungsansätze im 1. Teil des Projektantrages werden neue Erkenntnisse über die Funktion der DANN- Demethylierung während der Pflanzenreproduktion gewonnen. Teil 2 des Projektantrages beinhaltet die Charakterisierung der in unserem Labor isolierten A. thalianana Mutante hdd1 - heterochromatin decondensation defective 1 - mit dem Ziel Suppressor-Mutanten von hdd1 zu isolieren. Dadurch sollen die Funktionen und Kontrollmechanismen der Rekonfigurationsvorgänge des Chromatins aufgeklärt werden, welche während der Pflanzen-Gametogenese in dramatischem Umfang beobachtet werden können

Das Zentromer ist die grundlegende Einheit für die Aufteilung der Chromosomen während der Zellteilung. Die zentromerspezifische Histon-H3-Variante (CenH3) ist an der Zentromer-DNA gebunden und ist für die Funktion des Zentromers grundlegend. Die Entfernung des CenH3 aus Zentromeren ist eine allgemeine Eigenschaft von terminal differenzierten Zellen, und ein unangebrachter Verbleib von restlichem CenH3 an den Zentromeren erhöht das Risiko für defekte Zellteilungen und dadurch Krankheiten wie Krebs. Im Gegensatz zu dem bereits relativ gut verstandenen Prozess des CenH3-Einbaus an den Zentromeren, ist nur wenig darüber bekannt, wie Zellen die CenH3-Zentromere aktiv abbauen um letztendlich Krankheiten wie Krebs zu verhindern. In unserer Studie konnten wir einen aktiven Mechanismus aufdecken, in welchem mittels der evolutionär konservierten AAA-ATPase Chaperon CDC48A eine proteolytische Demontage des Zentromers bewirkt wird, mit CenH3 als Zielmolekül. Die terminal differenzierte vegetative Zelle des Pollen der Blütenpflanze Arabidopsis thaliana unterzieht sich einer Eliminierung von CenH3, einer Dekondensation von zentromerischem Heterochromatin, und der Translokation von rDNA mit den ribosomalen RNA (rRNA) Gen-Loci aus Bereichen mit zentromerischem Heterochromatin in ein subnukleares Kompartment - dem so genannten Nukleolus, in welchem die rRNA-Gentranskription stattfindet um die Machinerie für Proteinsynthese zu bilden. Wir fanden, dass Mutationen im Gen CDC48A diese dynamischen Prozesse am Chromosom blockieren. Zellwachstum und metabolismus sind abhängig von der rRNA Gentranskriptionsaktivität in der Zelle. Die vegetative Zelle des Pollen bildet einen Schlauch, welcher, geleitet durch kräftiges, rasches und fortdauerndes Spitzenwuchs, zwei Samenzellen über eine weite Entfernung zur Eizelle für deren Befruchtung transportiert. Das Pollenschlauchwachstum verlangt dabei ein hohes Mass an Zellaktivität und rRNA Gentranskriptionsaktivität. Dementsprechend blockieren cdc48a-Mutationen ebenso das durch den vegetativen Kern angetriebene Pollenschlauchwachstum, und verursachen somit männliche Sterilität. Wir schlagen daher folgendes Modell vor: Das CDC48A Chaperon entfernt CenH3 von den Zentromeren und löst infolge das zentromerische Heterochromatin auf um die Gesamtheit aller rRNA Gene transkribieren zu können. Diese Chromosomenreorganisation ist essentiell für die Pollenschlauchbildung, und folglich für die Pflanzenreproduktion. Zukünftige Arbeiten werden zeigen, ob die CDC48A-dirigierte, aktive Zentromerdemontage ein universeller Mechanismus terminal differenzierter Zellen höherer Eukaryoten ist um Zellteilung und Zellwachstum zu kontrollieren. Neuronen, in welchen analog zum Pollenschlauchwachstum ein einzelner Kern das Zellspitzenwachstum auf weite Distanzen antreibt, bieten sich als naheliegende Kandidaten an, diese Vorhersage zu testen.