Wie wird das ordnungsgemäße meiotische Verhalten von Chromosomen garantiert: Mechanismen der Stabilisierung und Extension des Synaptonemalen Komplexes

• Antragsteller: Professor Dr. Attila Tóth
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung seit 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 236843383

Meiotische Chromosomensegregation erfordert die physische Assoziation homologer Chromosomen (Homologe) durch rekombinationsvermittelte Crossoverbildung. Meiotische Rekombination wird durch programmierte DNA-Doppelstrangbrüche (DSBs) entlang der Chromosomenachsen initiiert. Dadurch werden einzelsträngige DNA-Enden erzeugt, die in die DNA des Homologen eindringen, dabei Rekombinationsintermidäre ausbilden und somit Homologe verbinden. Durch einen kaum verstandenen Prozess werden die einzelnen, separaten interhomologen Verbindungen zu kontinuierlich engen Verknüpfungen erweitert, die sich als synaptonemale Komplexe (SCs) manifestieren und über die gesamte Chromosomenachse verlängern. SCs wiederum ermöglichen eine korrekte DSB-Reparatur und Crossoverbildung. Aufgrund der Bedeutung der SCs für die Genomintegrität der Keimbahn wollen wir herausfinden, wie die Komplettierung der SCs durch kontrollierte Extension auf nicht rekombinierende Achsenabschnitte erreicht wird. Unsere bisherigen Arbeiten zeigten, dass das Chromosomenachsenprotein HORMAD1 die SC-Bildung auf dreierlei Weise entscheidend begünstigt: Förderung der DSB-Bildung, Kontrolle der DSB-Reparatur, und einen ungeklärten, DSB-unabhängigen Mechanismus. SCs wiederum bewirken eine Konformationsänderung von HORMAD1, die zu dessen Verlust von der synaptischen Chromosomenachse führt. Somit existiert eine synergistische und antagonistische Beziehung zwischen HORMAD1 und SC. Um diese Beziehungen zu verstehen haben wir in Mäusen HORMAD1 mit einer N-terminalen HA-Markierung versehen (Hormad1HA/HA). Diese HA-Markierung verhindert die SC-initiierte Konformationsänderung sowie den HORMAD1-Verlust und ermöglicht uns, die Bedeutung des HORMAD1-SC-Antagonismus in vivo zu testen. Hormad1HA/HA-Mäuse sind steril und weisen Synapsisdefekte auf. Die Art der SC-Defekte lässt vermuten, dass die SC-initiierte Konformationsänderung von HORMAD1 für die SC-Stabilisierung und Extension erforderlich ist, was entscheidend für die Evolution sein könnte. Sequenzdivergenz von Homologen (charakteristisch für Outbred-Populationen und Hybride) hindert die interhomologe Rekombination und Synapsis, was zu reproduktiver Isolation zwischen neu entstehenden Arten führt. Wir vermuten, dass die HORMAD1-Konformationsänderung den SC-destabilisierenden Effekt der Homologendivergenz entgegenwirkt, so die reproduktive Fitness verbessert und die Speziation in Wildpopulationen verlangsamt. Um diese Hypothesen zu überprüfen und herauszufinden, wie SC-Extension kontrolliert wird, werden wir HORMAD1-Proteininteraktionen und die phänotypischen Konsequenzen der HA-HORMAD1-Expression in (1) verschiedenen Meiose-Mutanten (ermöglicht eine Trennung der verschiedenen HORMAD1-Funktionen) und in (2) Hybriden mit unterschiedlichen Heterozygotiegraden analysieren. Angesichts der Neuartigkeit des Hormad1HA/HA-Phänotyps erwarte ich, dass das Projekt fundamentale Merkmale der genetischen Vererbung mit Implikationen für die humane Reproduktion aufdeckt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen