Condensin und Chromosomenkondensation im Ciliaten Tetrahymena Thermophila

Condensin ist ein konservierter Proteinkomplex mit einer essentiellen, aber noch wenig verstandenen Funktion bei der Verpackung und der geregelten Aufteilung der Chromosomen in Mitose und Meiose. Fehlfunktionen dieser Proteine werden als die Ursache verschiedener angeborener Krankheiten beim Menschen gesehen. Zwischen Eukaryonten zeigen sich Unterschiede in der Zusammensetzung und der Beteiligung an einer Vielzahl von anderen zellulären Prozessen. Hier wollen wir die Vielfalt der Erscheinungen und Funktionen von Condensin beim Protisten Tetrahymena thermophila untersuchen. Dieser Einzeller besitzt zwei Zellkerne, wovon der diploide Micronucleus die Keimbahn und der polyploide Macronucleus das Soma repräsentiert. Der MIC teilt sich mitotisch und meiotisch, aber ist transkriptorisch inaktiv. Der transkriptorisch aktive Somakern besitzt ca. 50 Sätze von 200 Minichromosomen. Diese liegen ständig unkondensiert vor, besitzen keine Zentromere und werden zufällig auf die Tochterkerne verteilt. Trotz der nicht stattfindenden Kondensation wurde gezeigt, dass die Condensin-Untereinhheit Smc4 für die amitotische Teilung des Somakerns nötig ist. Allerdings ist die Funktion des Condensins bei diesem Prozess, sowie bei der Mitose und Meiose des MIC noch gänzlich unbekannt. Wir haben verschiedene, von anderen Organismen nicht bekannte Untereinheiten des Kondensins identifiziert. Erste Beobachtungen legen nahe, dass das Condensin in den beiden Kerntypen unterschiedlich zusammengesetzt ist. Der Abbau der den beiden Typen gemeinsamen Untereinheit Smc2 durch RNA Interferenz (RNAi) hat gezeigt, dass Condensin für die Segregation der Chromosomen in Mitose und Meiose und die Teilung des Somakerns nötig ist. In diesem Projekt wollen wir neuartige Mikroskopietechniken an fixierten und lebenden Zellen zur Lokalisierung von Condensin und zur Untersuchung von Condensin- defekten Mutanten (RNAi) anwenden. Mit Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) werden wir das Verhalten der Minichromosomen im Somakern untersuchen. Weiters wollen wir die post- translationalen Modifikationen der Condensin-Untereinheiten studieren, um mehr über die Mechanismen und Regulierung der Chromosomenkondensation zu lernen. Tetrahymena ist entwicklungsgeschichtlich weit entfernt von den gängigen Modellorganismen. Dadurch hoffen wir, tiefere Einsichten in die konservierten Funktionen von Cohesin zu gewinnen. Gleichzeitig werden wir durch unsere Untersuchungen manche Besonderheiten der Organisation des Erbmaterials dieses Organismus verstehen.

Während die DNA, und die sie umgebenden Proteine in sich nicht teilenden Zellen in stark aufgelockerter Form vorliegen, sorgen bei der Teilung spezielle Proteinkomplexe, die Condensine, für ihre Verpackung in kompakte, leicht zu transportierende Strukturen, die Chromosomen. Es gibt verschiedene Condensine, und manche spielen offenbar auch eine noch wenig verstandene Rolle bei der Regulierung zellulärer Abläufe. Fehlfunktionen dieser Proteine werden als die Ursache verschiedener angeborener Krankheiten beim Menschen gesehen. Jedoch kann man ihre Funktion nicht an Menschen studieren, denn dazu muss man die Condensin-Gene zerstören und schauen, was passiert. Also macht man das bei "Modell"-Organismen. Tetrahymena thermophila, ein Verwandter des Pantoffeltierchens, ist ein Protist (also weder Pilz noch Pflanze, noch Tier), und damit entwicklungsgeschichtlich sehr weit entfernt. Findet man dennoch Gemeinsamkeiten in einem zellulären Mechanismus, ist das ein Hinweis auf eine evolutionär konservierte, grundlegende Funktion. Wir haben bei Tetrahymena die Condensin-Gene durch nicht-funktionierende Kopien ersetzt und dann im Mikroskop die dadurch verursachten Defekte an den Chromosomen studiert. Weiters haben wir die Condensin-Proteine markiert, sodass sie im Mikroskop sichtbar wurden. Dadurch konnten wir sehen, wo in der Zelle sie sich in jedem Teilungsstadium befinden, bzw. mit welchen Proteinen sie gemeinsam auftreten und daher wahrscheinlich zusammenarbeiten. Wie fanden, dass sich ohne Condensine die Tochterchromosomen in der Zellteilung nicht trennen können. Ein mit den Condensinen verwandter Proteinkomplex, das Cohesin, liegt bei höheren Organismen in verschiedenen Varianten vor und hat Funktionen bei der Genregulation und der geordneten Trennung der Chromosomen bei der Zellteilung. Bei Tetrahymena jedoch spielt Cohesin eine geringere Rolle, und wir fanden Hinweise, dass diese Reduktion mit einer Übernahme mancher Cohesin-Funktionen durch Condensine einhergeht. Ganz unerwartet hat die Inaktivierung von Condensinen auch die Anordnung der Chromosomen im Zellkern verändert, indem durch DNA-Verdoppelung neu entstandene Chromosomen nun dazu tendierten, beisammenzubleiben. Das lässt auf eine weitere Funktion von Condensinen schließen, nämlich zur Anordnung der Chromosomen in individuellen Territorien des Zellkerns beizutragen. Die territoriale Anordnung der Chromosomen ist ein wichtiger Faktor bei der Regulation der Aktivität von Genen. Deshalb nehmen wir an, dass diese fehlerhafte Anordnung der Grund für verschiedene klinische Folgen bei Erkrankungen durch defekte Condensine ist. Schließlich konnten wir zur Reihe der verschiedenen Funktionen der Condensine noch eine weitere hinzufügen: Bei Tetrahymena wird nämlich im Soma, also jenen Zellkernen, die nicht im Zuge der geschlechtlichen Fortpflanzung an die Nachkommen weitergegeben werden, ein Teil der DNA eliminiert. Ohne eine bestimmte Version des Condensins unterbleibt dieser Differenzierungsschritt. Damit zeigt sich einerseits die evolutionäre Flexibilität der Condensine, zum anderen tun sich Hinweise auf neue Funktionen auf, die bei anderen Organismen ähnlich sein könnten, aber bislang unerkannt geblieben sind.