Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Erkenntnisse zum Entstehen von Geschlechtszellen

05.08.2011
Bei der Entstehung von Keimzellen, beim Menschen etwa Spermien und Eizellen, werden Chromosomen vielfach gebrochen und neu zusammengefügt.

Ein Forschungsteam um Franz Klein, Professor für Genetik an den Max F. Perutz Laboratories der Universität Wien, hat diesen Prozess mithilfe modernster Technologie mit Auflösung im Nanometer-Bereich untersucht. Die überraschenden Ergebnisse zum Mechanismus der Meiose werden in der aktuellen Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift CELL veröffentlicht.


Modell der Nanowelt – ein Chromosomenabschnitt mit DNA-brechenden Maschinen. Ringförmige Moleküle halten die Schwesterchromosomen (gelb und rot) zusammen und die DNA-Schlaufen in Form. Zwischen den DNA-Schlaufen an der Chromosomenachse sind zwei Maschinen verankert, eine hält ein soeben gebrochenes Stück DNA. Illustration: Franz Klein

Es gibt keine sexuelle Fortpflanzung ohne Meiose, denn nur bei dieser speziellen Zellteilung entstehen Keimzellen. Dabei teilt sich eine Zelle so, dass Tochterzellen mit einfachem, statt dem üblichen doppelten Chromosomensatz entstehen. Verschmilzt ein Spermium mit einer Eizelle bei der Befruchtung, so entsteht dadurch ein Embryo. Dessen Zellen haben wieder den doppelten Chromosomensatz.

Rätselhafte Meiose

In jeder menschlichen Zelle gibt es 46 Chromosomen, von denen je 23 von der Mutter und 23 vom Vater stammen. Werden Keimzellen produziert, wird die Halbierung unter anderem dadurch erreicht, dass aus je einem mütterlichen und einem väterlichen Chromosom ein einziges Tochterchromosom hergestellt wird – die sogenannte Rekombination. "Die Meiose ist ein rätselhafter Prozess. Es ist erstaunlich, dass väterliche und mütterliche Chromosomen einander überhaupt treffen", erklärt Franz Klein vom Department für Chromosomenbiologie der Universität Wien.

"Vor dem Zusammenpuzzeln ist jedes der 46 Chromosomen schon repliziert und bewegt sich wie ein siamesischer Zwilling mit seinem Schwesternchromosom durch den Zellkern. In allen anderen Körperzellen würden Chromosomen ausschließlich mit der eng verbundenen Schwester interagieren und sich austauschen. Das wäre aber für die Keimzellenbildung nicht genug, denn nur das Zusammentreffen der elterlichen Chromosomen garantiert, dass die entstehenden Keimzellen die richtige Anzahl an Chromosomen besitzen", so Klein.

Nanoblick aufs Chromosom

Franz Klein und seine Forschungsgruppe haben Teile jener winzigen, DNA-brechenden Proteinmaschine untersucht, die die Rekombination auslöst. Dazu erstellten sie hochauflösende Landkarten der Chromosomen und zeichneten die Landeplätze dieser Proteine ein. "Dank 'DNA-Mikrochip-Technologie' erreichen wir eine Auflösung im Nanometer-Bereich und erhalten so völlig neue Einblicke", sagt Klein. So stellten die ForscherInnen überrascht fest, dass die DNA-brechenden Komplexe nicht wie andere Proteinmaschinen von Chromosom zu Chromosom schwimmen, sondern in den Chromosomen selbst verankert sind.

Wegwerfmaschinen

Wie bereits entstandene Brüche verhindern, dass in ihrer Umgebung weitere Brüche entstehen, war eines der ungeklärten Rätsel. Frühere Forschung hatte gezeigt, dass jede der DNA-brechenden Nanomaschinen nur einmal funktioniert. "Da wir nun wissen, dass sie fix verankert ist, ist klar, warum in einer bestimmten Gegend nur ein Bruch entstehen kann. Die lokale Maschine ist aufgebraucht und andere Maschinen sitzen an anderen Chromosomenstellen fest", erklärt der Genetiker.

Wenn Chromosomen nicht "in Form" sind

Gesunde Chromosomen können geordnete DNA-Schlaufen ausbilden, die in der Meiose durch eine Proteinachse verbunden sind. Durch fehlerhafte Gene verlieren Chromosomen diese Form. "Niemand hat bisher verstanden, wieso die Form der Chromosomen die Arbeit der DNA-brechenden Maschinen bestimmt. Wir wissen nun, dass die Maschinen zwischen den Schlaufen an der Chromosomenachse ankern müssen. Verändert sich das Schlaufenmuster, arbeiten die Maschinen an anderen Stellen – oder gar nicht mehr", sagt Klein.

Schwesterlicher Übereifer

Entlang der Chromosomenachse, wo die DNA-brechenden Maschinen verankert sind, hängen die Schwesterchromosomen wie siamesische Zwillinge zusammen. Obwohl die Schwester aufgrund ihrer Nähe die nächstgelegene Reparaturhelferin ist, mischt sie sich in die Reparatur der Brüche in der Meiose nicht ein.

Das Besondere an der Meiose ist die Ausbildung einer Rekombinationsverbotszone an der Chromosomenachse. "Wir denken, dass die DNA-brechenden Maschinen deswegen an der Achse verankert sind, damit die DNA-Brüche direkt in der Rekombinationsverbotszone entstehen. Denn dies lockt zunächst das Schwesterchromosom an, welches von einem gebrochenen DNA-Ende in der Rekombinationsverbotszone gehalten wird, während sich das andere DNA-Ende löst, um das väterliche Chromosom zu finden."

"Wir können vieles von diesem Szenario beweisen – am Wichtigsten ist jedoch unsere Beobachtung, dass das Schwesterchromosom alle Rekombination an sich reißt, wenn der von uns entdeckte Verankerungsmechanismus der Bruchmaschine defekt ist. Das zeigt, dass die Verankerung hilft, die Schwester unter Kontrolle zu halten. Gelingt das nicht, ist das Ergebnis des schwesterlichen Übereifers Tod oder Missbildung der aus den defekten Keimzellen entstehenden Embryos", so Franz Klein.

Max F. Perutz Laboratories

Die Max F. Perutz Laboratories sind ein 2005 gegründetes Joint-Venture der Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien am Campus Vienna Biocenter. An den MFPL forschen über 60 Arbeitsgruppen im Bereich Molekularbiologie. Seit 2007 leitet der Biochemiker Graham Warren das Institut.

Förderung

Die nun publizierte Arbeit wurde im Rahmen eines Sonderforschungsbereichs (F34-"Dynamic Chromosomes") des FWF gefördert. Sieben Forschungsgruppen des MFPL und des IMP arbeiten bei diesem Großprojekt gemeinsam an der Lösung von Problemen der Chromosomenbiologie. Koordination: Franz Klein und Jan Michael Peters, diesjähriger Wittgenstein-Preisträger.

Publikation
Spo11-Accessory Proteins Link Double-Strand Break Sites to the Chromosome Axis in Early Meiotic Recombination (Silvia Panizza, Marco A. Mendoza,Marc Berlinger, Lingzhi Huang, Alain Nicolas, Katsuhiko Shirahige, Franz Klein). In: Cell, Volume 146, Issue 3, 5 August 2011.
DOI 10.1016/j.cell.2011.07.003
Abstract: http://www.cell.com/abstract/S0092-8674%2811%2900758-6
Wissenschaftlicher Kontakt
Ao. Univ.-Prof. Dr. Franz Klein
Max F. Perutz Laboratories
1030 Wien, Dr. Bohr-Gasse 9
T +43-1-4277-562 20
franz.klein@univie.ac.at
Rückfragehinweis
Georg Bauer
Communications
Max F. Perutz Laboratories
1030 Wien, Dr.-Bohr-Gasse 9
T: +43-1-4277-240 03
georg.bauer@mfpl.ac.at

Alexander Dworzak | Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.univie.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wegbereiter für Vitamin A in Reis
21.07.2017 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau

nachricht Pharmakologie - Im Strom der Bläschen
21.07.2017 | Ludwig-Maximilians-Universität München

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten