Prinzipien der räumlichen und zeitlichen Kontrolle der Initiation meiotischer Rekombination in Mäusen

• Antragsteller: Professor Steffen Rulands; Professor Dr. Attila Tóth
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458959104

Programmierte Entstehung hunderter DNA-Doppelstrangbrüche (DSB) ist essenziell in der Meiose, da an DSB Stellen einzelsträngige DNA-Enden (ssDNA) entstehen, die homologe meiotische Rekombination iniziieren. Rekombination fördert Paarung, Chromosomsynapsis (SC) und aus DSB entstehende Crossover. Diese sind essenziell für die korrekte Segregation der Chromosomen in der Meiose. Rekombination generiert auch neue Allel-Kombinationen, auf welche Selektion wirkt. Anomalien in der Rekombination bewirken Aneuploidien und Unfruchtbarkeit, während beständige DSB potenziell genotoxisch wirken. Aus diesen Gründen wird die meiotische DSB-Formation streng räumlich und zeitlich kontrolliert.Ein Zwischenspiel mehrerer Faktoren reguliert die Anzahl, den Zeitpunkt und die genomische Lokalisierung der DSB um Crossover und Synapsis sicherzustellen. Es werden zwei wichtige Rückkopplungsmechanismen angenommen: 1) DSB verhindern die Entstehung weiterer DSB in ihrer Nähe, und 2) Synapsis homologer Chromosomen unterbindet regional DSB-Formation. Die Lokalisation der DSB wird desweiteren vom Zellzyklus und von der Interaktion von DSB-fördernden Proteinkomplexen mit dem Chromatin beeinflusst. Eine Meiose-spezifische Histon-Methyltransferase, PRDM9, generiert Sequenz- und Meiose-Stadium-spezifisch offenes Chromatinan mehreren Tausenden Stellen im Genom von Mammalia. Der DSB-fördernder Komplex präferiert diese offenen Stellen womit sie als Hotspots agieren. Dort findet ein Großteil der meiotischen Rekombinationsinitiation statt.In diesem Projekt wollen wir herausfinden, wie die Positionen der DSB-Aktivität durch Rückkopplumgsmechanismen, die Phasen der Meiose und zwei Schlüsselkomponenten des DSB-fördernden Komplexes, ANKRD31 und IHO1, beeinflusst werden. Wir werden zum ersten Mal sowohl die Dynamik der Hotspotverwendung als auch die der Eigenschaften des unterliegenden Chromatins in der Meiose in Mäusen untersuchen. Insbesondere werden wir ChIP-seq verwenden, um die genomische Verteilung von ssDNA (DMC1), hotspot-assoziertes offenes Chromatin (Tri-Methylation von Lys 4 in Histon H3) und Regionen, in denen sich keine Chromosomensynapsen gebildet haben (HORMAD1), im Verlauf der Meiose zu verfolgen. Um Rückkopplungs- und Meiose-Phasen-abhängige Effekte auf Hotspot-Dynamik zu unterscheiden, werden wir Messungen sowohl im Wild-Typ, als auch in Mutanten mit Defekten in meiotischen DSB und Synapsis, durchführen. Diese Messungen werden wir verwenden, um ein quantitatives Modell der Hotspotdynamik zu generieren. Das Modell soll im nächsten Schritt zur Interpretation pleiotropischer Effekte von IHO1- und ANKRD31-Defizienzen auf SC Kinetik, DSB Anzahl, Zeitpunkt und Lokalisierung und zum Verständnis der differenzialen Rolle von IHO1 und ANKRD31 in Hotspotverwendung angewandt werden. Das Projekt wird zu einem umfassenden Verständnis der Mechanismen, die für die DSB-Bildung zuständig sind und damit eine erfolgreiche Weitergabe des Genoms an die nächste Generation ermöglichen, führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen