DNA Doppelstrangbrüche in der Meiose von Tetrahymena

Die Meiose ist jene Teilung, durch die sich aus normalen Körperzellen (mit zwei Kopien jedes Chromosoms) Geschlechtszellen (Ei- oder Samenzellen) bilden. Geschlechtszellen haben von jedem Chromosom nur eine Kopie, sodass bei der Befruchtung ein doppelter Chromosomensatz aus väterlichen und mütterlichen Anteilen wiederhergestellt wird. In der Meiose paaren sich die einander entsprechenden (homologen) Chromosomen der beiden Sätze. Diese Paarung ermöglicht die zuverlässige Trennung der homologen Partner durch einen einfachen Sortiermechanismus. Gleichzeitig tauschen die homologen Chromosomen Stücke aus, wodurch es in den Geschlechtszellen, und in weiterer Folge in den Nachkommen, zur Neukombination von Genen kommt. Die Rekombination erfolgt durch absichtlich gesetzte Brüche in der DNA und deren Reparatur durch die kreuzweise Verbindung der homologen Chromosomenstücke. Meiotische Rekombination ist ein riskanter Vorgang, denn DNA Brüche sind gefährlich. Dennoch pflanzen sich die meisten höheren Organismen (Eukaryoten) auf diese Weise geschlechtlich fort und können sich durch die genetische Rekombination an ihre Umwelt anpassen. Durch fehlerhafte Meiose kann es geschehen, dass Geschlechtszellen verstümmelte Chromosomen bekommen oder zwei Kopien von manchen Chromosomen behalten, und nach der Befruchtung solcher Zellen sind dann drei Kopien vorhanden. Embryonen mit mit solchen Defekten (z.B. Trisomie 21) sterben ab oder entwickeln sich krankhaft. Die Meiose verläuft bei Pflanzen und Tieren ähnlich. Sie ist ein unglaublich komplexer Vorgang (ungefähr ein Viertel aller Gene eines Organismus sind daran beteiligt), und viele Einzelheiten des Prozesses sind ungenügend verstanden. Ihr Verständnis ist nicht nur wichtig aus der Sicht der Reproduktionsmedizin, sondern auch für die Entwicklung von Methoden zur Erzielung von erwünschten Merkmalskombinationen bei der Züchtung von Nutztieren und Pflanzen. Um die Funktion mancher Strukturen und Prozesse in der Meiose zu verstehen, hilft es manchmal, Mutationen in den zuständigen Genen zu erzeugen und aus den resultierenden Defekten auf die normale Funktion zu schließen. Wir verfolgen seit einigen Jahren eine andere Strategie: Wir studieren die stark abweichende vereinfachte Meiose bei Tetrahymena, einem einzelligen Organismus, der sich früh in der Evolution von Tieren und Pflanzen abgespaltet hat. Dieser Meiose fehlen manche Gene und Mechanismen, wodurch diese als für die Grundfunktionen der DNA Reparatur, Chromosomenpaarung und Rekombination entbehrlich erkannt werden. Sie dürften in der Evolution einzelner Entwicklungslinien als Anpassungen und Optimierungen enstanden sein. Andere Strukturen und Prozesse sind bei Tetrahymena wiederum deutlicher ausgeprägt als bei den bekannteren Organismen, sodass sich ihre Funktionen im Ablauf der Meiose besser erschließen. Im gegenständlichen Projekt untersuchen wir mit mikroskopischen und molekularen Methoden die Rolle einiger zentraler Proteine für DNA Reparatur und die nachfolgenden Schritte in der Meiose. Die Gemeinsamkeiten und Unterschiede im meiotischen Programm von Tetrahymena und den höher entwickelten Vielzellern sollen zeigen, wie die moderne Meiose im Zuge der Evolution ihre heutige Gestalt angenommen und ihre Funktionen erweitert und verfeinert hat.

Die Meiose ist jene Teilung, durch die aus normalen Körperzellen (mit zwei Kopien jedes Chromosoms) Geschlechtszellen (Ei- oder Samenzellen) entstehen. Ge-schlechtszellen haben von jedem Chromosom nur eine Kopie, sodass bei der Befruchtung ein doppelter Chromosomensatz aus väterlichen und mütterlichen Anteilen wiederhergestellt wird. In der Meiose paaren sich die einander ent-sprechenden (homologen) Chromosomen der beiden Sätze. Diese Paarung ermöglicht die zuverlässige Trennung der homologen Partner durch einen einfachen Sortiermechanismus. Gleichzeitig tauschen die homologen Chromosomen Stücke aus, wodurch es in den Geschlechtszellen, und in weiterer Folge in den Nachkommen, zur Neukombination von Genen kommt. Die Rekombination erfolgt durch absichtlich gesetzte Doppelstrang-Brüche (DSBs) in der DNA und deren Reparatur durch die kreuzweise Verbindung der homologen Chromosomenstücke. Die Meiose verläuft bei Pflanzen und Tieren ähnlich. Sie ist ein komplexer Vorgang, und viele Einzelheiten des Prozesses sind ungenügend verstanden. Ihr Verständnis ist wichtig aus der Sicht der Reproduktionsmedizin und für die Entwicklung von Methoden zur Erzielung von erwünschten Merkmalskombinationen bei der Züchtung von Nutztieren und Pflanzen. Hier untersuchten wir die Meiose von Tetrahymena thermophila, einem einzelligen Organismus, der sich früh in der Evolution von den Pflanzen, Pilzen und Tieren abgetrennt hat. Das Ziel war die Identifizierung von Meiosegenen, die allen diesen Gruppen gemeinsam sind und daher die mögliche minimale Ausstattung für die Proto-Meiose am Beginn der Eukaryoten-Evolution darstellen. Im Zuge dieses und der vorangegangenen Projekte wurden mehr als 100 bislang uncharakterisierte Gene ausgeknockt, die zeitgleich mit der Meiose exprimiert werden, und die Auswirkungen des Verlusts dieser Gene auf die Meiose untersucht. Nur ca. ein Viertel dieser Gene waren unentbehrlich für die meiotische Paarung oder Rekombination, ein weiteres Viertel funktioniert wahrscheinlich zeitversetzt in der postmeiotischen Entwicklung der Gameten oder bei der Reifung der geschlechtlichen Nachkommen. Ca. 10% der Gene sind regulierend, d.h. sie codieren für Trans-skriptionsfaktoren, Cycline oder Cyclin-abhängige Kinasen. Die Entfernung des Rests der Gene hatte keine merklichen Folgen; möglicherweise arbeiten sie redundant oder ihr Beitrag zur Funktion der Meiose ist so subtil, dass er unter den für die Zellen weitgehend stressfreien Laborbedingungen nicht zum Tragen kommt. Insgesamt zeigte sich, dass Tetrahymena über ein vergleichsweise kleines Repertoire an Meiose-spezifischen Genen verfügt, was diesen Organismus zu einem überschaubaren Modell zur Untersuchung der essenziellen Meioseprozesse macht. Der Titel eines rezenten Übersichtsartikels "Tetrahymena meiosis: Simple yet ingenious" (Loidl 2021, PLoS Genetics 17, e1009627) spiegelt die Erkenntnis wider, dass Tetrahymena unter Verwendung weniger Gene eine hoch komplexe Meiose ausführen kann. Tiefere Einblicke in die ungewöhnliche und in mancher Hinsicht simplifizierte Meiose von Tetrahymena mögen uns helfen, viele bislang rätselhafte Aspekte der Meiose und die evolutionären Grundlagen der funktionellen Anpassungen des meiotischen Ablaufs bei höheren Eukaryonten zu verstehen.