Strukturbiochemie der meiotischen Doppelstrangbruchkontrolle

• Antragsteller: Dr. John Weir
• Fachliche Zuordnung: Biochemie ; Biophysik ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445087119

Voraussetzung für die sexuelle Fortpflanzung ist die Bildung von Keimzellen. Diese enthalten die Hälfte der Chromosomen ihrer Mutterzelle, so dass beim Verschmelzen zweier Keimzellkerne wieder eine Zelle mit einem ganzen Chromosomensatz entsteht. Die exakte Verteilung der elterlichen Chromosomen auf Keimzellen wird Meiose genannt. Damit die Chromosomen während der Meiose korrekt angeordnet werden können, müssen sie miteinander verknüpft werden. Dies geschieht zum einen während der DNA-Replikationsphase und zum anderen ganz gezielt während der Meiose.Diese Meiose-spezifischen Verknüpfungen ordnen strukturgleiche, sog. homologe Chromosomen einander zu. Damit diese einander finden, muss ihre DNA mit Hilfe einer Maschinerie aus vielen verschiedenen Proteinen gebrochen werden. Da DNA-Brüche sehr gefährlich für eine Zelle sein können, muss deren Einführung streng reguliert werden. Die Kontrolle der DNA-Brüche erfolgt auf drei verschiedenen Ebenen, nämlich zeitlich, räumlich und numerisch. Sie wird durch Veränderungen von Proteinen der DNA-Bruch-Maschinerie oder von Proteinen, die die DNA verpacken, erreicht. Dabei handelt es sich um post-translationale Modifikationen, das Anhängen chemischer Gruppen an Proteine nach deren Translation, was zur Veränderung der Proteinaktivität führen kann. Der vorliegende Antrag hat zum Ziel, im Detail zu beleuchten, wie meiotische DNA-Brüche durch post-translationale Modifikationen kontrolliert werden. Dabei werden wir einen neuartigen Ansatz verfolgen, wobei alle Proteine, die für uns von Interesse sind, aus der Zelle entfernt und in vitro, also im Reagenzglas, untersucht werden. Unser Ansatz ermöglicht es uns, die Umgebung, in der sich die Proteine befinden, zu kontrollieren und andere Komponenten des Systems hinzuzufügen oder zu entfernen. Wesentlich dabei ist, dass wir in der Lage sein werden, spezifische post-translationale Modifikationen entweder hinzuzufügen oder zu entfernen und ihren Effekt auf die DNA-Bruch-Maschinerie zu bestimmen.Außerdem werden wir unsere in vitro-Studien mit strukturbiologischen Methoden kombinieren, um die Proteine, die für uns von Interesse sind, im Detail sichtbar zu machen.Durch die Kombination von Röntgen-Kristallographie und Cryo-Elektronenmikroskopie werden wir die Proteine und Proteinkomplexe in so hoher Auflösung untersuchen, dass wir Details zur Funktion einzelner Aminosäuren und post-translationaler Modifikationen bestimmen können werden.Solche Details werden es uns nicht nur ermöglichen, die DNA-Bruch-Maschinerie zu verstehen, sondern auch anspruchsvolle Folge-Experimente zu konzipieren.Zusammenfassend wird uns die Detailgenauigkeit, die wir aus dieser Studie erhalten werden, neue Einsichten in die Kontrolle der Bildung meiotischer DNA-Brüche geben. Dies wird sowohl Auswirkungen auf die Grundlagenforschung, als auch auf das Verständnis einer fehlerhaften Meiose haben, die z.B. Unfruchtbarkeit oder auch Chromosomen-Fehlbildungen zur Folge haben kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen