Molekulare Pfade der meiotischen Prophase-Checkpoints in Mäusen

• Antragsteller: Professor Dr. Attila Tóth
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467268969

Meiotische Chromosomensegregation erfordert, dass homologe Kopien jedes Chromosoms (Homologe) während der meiotischen Prophase physisch assoziieren. Diese Verbindungen beruhen auf chromosomalen Crossover, die durch Rekombination entstehen. Programmierte DNA-Doppelstrangbrüchen (DSB) initiieren die meiotische Rekombination. Meiotische DSB erzeugen einzelsträngige DNA-Enden (ssDNA), die DNA-Doppelstranginvasion durchführen und so Chromosomensynapsis fördern. Diese Synapsisfördert Rekombination-vermittelte DSB-Reparatur und die Entstehung von Crossovern.Die Genomintegrität in der Meiose wird durch Qualitätskontrollmechanismen, Checkpoints, gewährleistet, die sicherstellen, dass alle Homologenpaare Synapsen eingehen und somit die potentiell genotoxischen DSBs repariert werden bevor die Prophase endet. Eine zentrale ungelöste Frage ist, ob dieser DNA-Schadens -Checkpoint die Kontrolle sowohl für DSB-Reparatur als auch Synapsis ausführt, oder ob unterschiedliche Checkpoints diese zwei Prozesse überwachen. Diese Frage ist eng mit der Rolle von HORMAD2 verknüpft, das wir als kritische Komponente in der Meiose-spezifischen Qualitätskontrolle der Rekombination identifiziert haben. HORMAD2 bindet bevorzugt an Chromosomenregionen, an denen noch keine Synapsen entstanden sind. In diesen Regionen sind noch nicht reparierte DSBs konzentriert.Unsere bisherigen Resultate implizieren, dass HORMAD2 die DNA-Damage-Response-Kinase ATR an unsynaptische Chromosomenregionen rekrutiert und einen Synapsen-Checkpoint etabliert, welcher nicht von DSBs abhängt um synapsendefiziente Meiocyten zu eliminieren. Einer alternativen Hypothese zufolge blockiert HORMAD2 die Reparatur von DSB um in unsynaptischen Regionen den DNA-Schaden-Checkpoint zu aktivieren, statt oder zusätzlich zu einem Synapsen-Checkpoint. Aus drei Gründen konnten bislang diese Alternativhypothesen nicht geklärt werden: (1) Meiotische DSB-Reparatur und Chromosomensynapsis sind voneinander abhängig, weswegen es schwer ist, Aktivierung von Checkpoints durch Defekte in Synapsis und/oder DSB-Reparatur zu trennen. (2) Es ist unklar, ob die DSB-unabhängige Bindung des HORMAD2-ATR-Komplexes an unsynaptische Chromosomenregionen einen Checkpoint etabliert. (3) Mit Standardmethoden, die DSB-Reparatur mit Hilfe von Markerproteinen analysieren, ist es nicht gelungen zu klären, ob HORMAD2 die DSB-Reparatur blockiert bis die Synapse erfolgt ist.Wir haben drei neue Ansätze entwickelt, diese Problematik zu lösen: (1) Mausmodell, welches Defekte in der DSB-Reparatur und Synapsis trennt, (2) Mausmodell in dem HORMAD2 unsynaptische Chromosomenregionen nicht bindet, und (3) eine Methode der direkten Detektion meiotischer ssDNA-Enden, statt von Proteinmarkern der Rekombination. Somit sind wir nun in der Lage, die aktuellen Modelle der meiotischen Qualitätskontrolle entscheidend zu testen und damit fundamentale Merkmale der Vererbung mit Implikationen auch für humane Reproduktionsmechanismen aufzudecken.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen