Forschungsbericht 2018 - Friedrich-Miescher-Laboratorium für biologische Arbeitsgruppen in der Max-Planck-Gesellschaft

Regulation der Bildung von DNA-Doppelstrangbrüchen und deren Reparatur während der Meiose

Autoren
Weir, John
Abteilungen
Mechanisms in Early Meiosis
Zusammenfassung
Sexuelle Fortpflanzung setzt die Bildung von Gameten, also Samen- und Eizellen, voraus. Diese verfügen, im Gegensatz zu Köperzellen, nur über einen einfachen Chromosomensatz. Meiose ist derjenige Prozess, durch den das elterliche Erbgut aufgeteilt wird und Keimzellen entstehen. Um die Chromosomen voneinander zu trennen, müssen strukturgleiche Chromosomen miteinander verknüpft werden. Dazu werden zunächst gezielt Brüche in die DNA eingebracht und anschließend exakt repariert. Das Verständnis dieser Prozesse liefert neue Einblicke in die Fruchtbarkeit und genetische Erkrankungen des Menschen.

Sexuelle Fortpflanzung und Meiose

Das Ziel der Fortpflanzung ist die Weitergabe des Erbguts. Die Fortpflanzung von Prokaryoten erfolgt ungeschlechtlich, während die meisten Eukaryoten eine komplexere Form der Fortpflanzung anwenden und sich sexuell vermehren. Interessant dabei ist, dass die grundlegenden Mechanismen der geschlechtlichen Fortpflanzung evolutionär sehr alt sind: Sie sind selbst zwischen sehr entfernt verwandten Eukaryoten hoch konserviert, beispielsweise zwischen einzelligen Pilzen und Säugetieren. Folglich sind die Faktoren, die die sexuelle Fortpflanzung steuern, universell.

Abb. 1: Meiose und der eukaryotische Lebenszyklus. Während der Meiose werden im erwachsenen diploiden Organismus haploide Gameten, Eizelle beziehungsweise Samenzelle, gebildet. Diese haploiden Keimzellen verschmelzen zu einer diploiden Zelle, aus der sich ein neuer Organismus entwickelt.

Sexuelle Vermehrung und somit das Leben eukaryotischer Organismen wird durch das Vorhandensein von Keimzellen, sogenannter Gameten, ermöglicht. Diese werden während eines spezialisierten Zellteilungs-Programms, der Meiose, gebildet (Abb.1). Gameten enthalten die Hälfte des Genoms einer Körperzelle und sind somit haploid, während Körperzellen diploid sind, also den doppelten Chromosomensatz aufweisen. Ein wichtiger Schritt bei der Bildung der Keimzellen ist daher der Übergang von der Diploidie zur Haploidie, der während der Meiose stattfindet. Ein entscheidender Aspekt dabei ist die Schaffung physikalischer Verknüpfungen zwischen anfangs nicht miteinander verbundenen strukturgleichen Chromosomen väterlicher bzw. mütterlicher Herkunft, nämlich den sogenannten homologen Chromosomen. Nur solche Verknüpfungen ermöglichen die kontrollierte Trennung der gepaarten Chromosomen, was eine exakte Reduzierung des Genoms auf die Hälfte zur Folge hat. Um diese Verknüpfungen einzuleiten, müssen gezielt Brüche in die DNA eingeführt und anschließend wieder repariert werden.

Wie wird die Einführung von DNA-Brüchen kontrolliert?

Während der Meiose wird doppelsträngige DNA an bestimmten Stellen im Genom in einer gezielten und streng regulierten Weise gebrochen. Diese Brüche werden mit Hilfe des Enzyms Spo11, das mit mindestens 15 weiteren Proteinen assoziiert ist, in die DNA eingebracht [1]. Diese Proteine kontrollieren sowohl die Lokalisierung von Spo11 innerhalb des Genoms als auch dessen enzymatische Aktivität. Spo11 ist durch Wechselwirkung mit den Proteinen Hop1 und Red1 an der DNA lokalisiert, wobei es bisher problematisch war, diesen wichtigen Schritt im lebenden Organismus zu untersuchen, da Hop1 und Red1 zusätzlich eine Rolle bei der Regulation der DNA-Reparatur spielen.

Die DNA-Brüche werden auf dreierlei Weise reguliert, nämlich zeitlich, räumlich und numerisch. Die zeitliche Kontrolle ist wichtig, um sicherzustellen, dass das Genom verdoppelt wurde, bevor Brüche in die DNA eingeführt werden. Die räumliche Regulation der Bildung von DNA-Brüchen wiederum stellt sicher, dass in einige Stellen des Genoms mehr Brüche, sogenannte hot spots, und in andere weniger Brüche, sogenannte cold spots, eingeführt werden. Viele cold spot-Bereiche, wie zum Beispiel repetitive Regionen innerhalb der ribosomalen DNA, werden aktiv vor DNA-Brüchen geschützt. An den hot spots werden umgekehrt durch epigenetische Markierungen DNA-Brüche ganz gezielt eingeführt.

Zu wenige DNA-Brüche machen eine Verknüpfung der homologen Chromosomen unmöglich, zu viele Brüche führen dazu, dass das Genom ganz und gar auseinanderbricht. Nach der erfolgreichen Einführung eines DNA-Bruchs werden spezialisierte Enzyme, die als DNA-Schadenskinasen bezeichnet werden, zu der entsprechenden Stelle im Genom rekrutiert und verhindern dadurch weitere Brüche. Sind die homologen Chromosomen erfolgreich miteinander verknüpft, wird die Bildung von DNA-Brüchen irreversibel durch die Entfernung des Hop1-Proteins von den Chromosomen eingestellt.

Wie wird entschieden, dass während der Meiose homologe Chromosomen anstelle von Schwesterchromatiden zur DNA-Reparatur eingesetzt werden?

Abb. 2: Einführung von DNA-Brüchen und deren Reparatur während der Meiose. (A) Nach erfolgreicher DNA-Replikation bindet Spo11 über die Proteine Red1 und Hop1 an chromosomale DNA. Mit Hilfe der enzymatischen Aktivität von Spo11 werden gezielt Brüche in die DNA eingeführt. (B) Nach Einführung der DNA-Brüche interagieren Hop1 und Red1 mit Mek1. Dieser Proteinkomplex verhindert, dass die DNA mit Hilfe des benachbarten Schwesterchromatids repariert wird und führt dazu, dass zur Reparatur des DNA-Bruches nur das homologe Chromosom als Matrize verwendet werden kann. Durch diesen meiotischen Reparaturprozess werden homologe Chromosomen miteinander verknüpft.

Nicht-meiotische DNA-Reparaturmechanismen nutzen bevorzugt Schwesterchromatiden gegenüber homologen Chromosomen zur DNA-Bruch-Reparatur. Dies liegt wahrscheinlich an der unmittelbaren räumlichen Nähe der Schwesterchromatiden, verglichen mit den weiter entfernt voneinander gelegenen homologen Chromosomen. Daher lautet eine zentrale Frage, wie entschieden wird, dass homologe Chromosomen anstelle von Schwesterchromatiden zur DNA-Reparatur während der Meiose verwendet werden.

Genetische Analysen in der Bäckerhefe haben einen Komplex aus drei Proteinen identifiziert, der nur in meiotischen Zellen exprimiert und als HRM-Komplex bezeichnet wird, weil er aus den Proteinen HOP1, RED1 und MEK1 besteht. Dieser Komplex ist mit der DNA assoziiert und fungiert nach dem derzeitigen Modell als Inhibitor der DNA-Reparatur (Abb. 2). Als solcher könnte dieser Proteinkomplex nämlich verhindern, dass ein DNA-Bruch mithilfe von DNA-Sequenzen des eng verbundenen Schwesterchromatids repariert wird und somit eine Reparatur nur noch über das weiter entfernt gelegene homologe Chromosom erfolgen kann [2].

Schlussfolgerungen und Ausblick

Die hier beschriebenen molekularen Mechanismen sind universell konserviert, von der einfachen Bäckerhefe bis hin zum komplexen Menschen. Der Prozess, durch den homologe Chromosomen in der Meiose miteinander verknüpft werden, trägt sehr wesentlich zur genetischen Vielfalt bei, einschließlich unserer eigenen Individualität. Eine fehlerhafte Meiose führt zu Fruchtbarkeitsdefekten, von denen manche auch mit dem Lebensalter zusammenhängen [3]. Altersbedingte Fruchtbarkeitsprobleme sind besonders heutzutage in Europa von Bedeutung, da einerseits die Geburtenrate sinkt, aber auch das Durchschnittsalter der Eltern zunimmt [4].

Zukünftige Arbeiten werden ein noch besseres Verständnis der meiotischen DNA-Strangbruch- und -Reparaturprozesse erlauben. Dies kann beispielsweise durch gezielte Deletion der beteiligten Proteine und durch die Wiederherstellung der gesamten Maschinerie im Reagenzglas, ähnlich zu neuesten Daten mit anderen Zellteilungsmaschinerien, erreicht werden [5]. Letztendlich sollen diese Experimente den Weg für ein besseres Verständnis von Fruchtbarkeitsdefekten ebnen und gleichzeitig einen Einblick in die genetische Vielfalt des eukaryotischen Lebens ermöglichen.

Literaturhinweise

1.
Keeney, S.; Giroux, C.N.; Kleckner, N.
Meiosis-specific DNA double-strand breaks are catalyzed by Spo11, a member of a widely conserved protein family
Cell 88, 375–384 (1997)
DOI
2.
Niu, H.; Wan, L.; Busygina, V.; Kwon, Y.; Allen, J.A.; Li, X.; Kunz, R.C.; Kubota, K.; Wang, B.; Sung, P.; Shokat, K.M.; Gygi, S.P.; Hollingsworth, N.M.
Regulation of meiotic recombination via Mek1-mediated Rad54 phosphorylation
Molecular Cell 36, 393–404 (2009)
DOI
3.
Hassold, T.; Hunt, P.
To err (meiotically) is human: the genesis of human aneuploidy
Nature Reviews Genetics 2, 280–291 (2001)
DOI
4.
Frejka, T.; Sobotka, T.
Overview Chapter 1: Fertility in Europe
Demographic Research 19, 15–46 (2008)
5.
Weir, J.R.; Faesen, A.C.; Klare, K.; Petrovic, A.; Basilico, F.; Fischböck, J.; Pentakota, S.; Keller, J.; Pesenti, M.E.; Pan, D.; Vogt, D.; Wohlgemuth, S.; Herzog, F.; Musacchio, A.
Insights from biochemical reconstitution into the architecture of human kinetochores
Nature 537, 249–253 (2016)
DOI
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