Die Definierung des Zentromers – Erforschung der Rolle von Kinetochoren bei der Zellteilung

Zentromere sind Chromosomenbereiche, an denen Kinetochore, Proteinkomplexe, welche für die korrekte Trennung der Chromosomen während der Mitose und Meiose verantwortlich sind, zusammengebaut werden.

Eine Grundvoraussetzung für den korrekten Zusammenbau und die Funktion des Kinetochors ist der Einbau der Histonvariante CenH3 ins Nukleosom des Zentromers.

Eine neue Studie der IPK-Projektgruppe „Kinetochor-Biologie“ beschreibt das Chaperonprotein NASPSIM3 und dessen Effekt auf die Positionierung von CenH3.

Die neuen Ergebnisse wurden in „The Plant Journal“ veröffentlicht.

Die Zellteilung ist ein stark regulierter und komplexer Prozess, dem die organisierte Zusammenarbeit einer Vielzahl verschiedener Komponenten zugrunde liegt. Obwohl die grundsätzlichen Prozesse bekannt sind, sind viele Bestandteile und deren Rollen während der Zellteilung noch immer nicht identifiziert.

Wissenschaftler von der Projektgruppe „Kinetochor-Biologie“ des IPKs in Gatersleben beleuchten die diverse Landschaft der Kinetochore. Während der Zellteilung werden Kinetochore für Interaktionen mit dem Spindelapparat sowie für die Auftrennung der Chromosomen benötigt.

Dank einer internationalen Zusammenarbeit haben die Forscher nun ein Chaperonprotein entdeckt, welches die Beladung des Zentromers mit CenH3 – ein wesentlicher Schritt für den Zusammenbau von Kinetochore – beeinflusst. Die Kenntnis der regulierenden Prozesse des Zentromers wird der Entwicklung neuer Methoden zur Beschleunigung des Zuchtprozesses von Kulturpflanzenarten zugutekommen.

Bei der Teilung somatischer Zellen werden die Chromosomen dank der Zugkraft des Spindelapparats in Schwesterchromatiden aufgetrennt. Damit dieser Prozess korrekt stattfinden kann, müssen die Spindelfasern des Spindelapparats an die richtigen Bereiche innerhalb der Chromosomen anbinden. Hier kommen Kinetochore ins Spiel.

Kinetochore werden an den dafür vorgesehen Chromosomenbereichen zusammengebaut. Dort verbinden sie sich mit dem Spindelapparat und unterstützen die Aufteilung der Chromosomen bei der Mitose sowie der Meiose.

Im Falle einer Beeinträchtigung der Zentromerfunktion, kommt der ganze Aufteilungsprozess jedoch zum Stillstand. Unter der Leitung von Dr. Inna Lermontova haben Forscher des Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben in Zusammenarbeit mit internationalen Instituten ein Chaperon entdeckt, welches die Ausbildung des essentiellen Zentromerbestandteils CenH3 beeinflusst.

Der Einbau der Histonvariante CenH3 ins Chromatin entscheidet über die Positionierung des Zentromers. Indem es an CenH3 bindet, übernimmt das Protein NASPSIM3 die Rolle des Chaperons. NASPSIM3 eskortiert CenH3 durch die Zelle und sorgt dafür, dass das Histon am korrekten Bereich angelagert wird. Die Wissenschaftler zeigten, dass die reduzierte Expression von NASPSIM3 die Ablagerung von CenH3 negativ beeinflusst und die Zentromerausbildung, sowie folglich den Kinetochorzusammenbau, beeinträchtigt.

Auf diesem Wissen aufbauend, werden die Forscher der Projektgruppe „Kinetochor-Biologie“ werden weitere Prozesse, welche im Zusammenhang mit Kinetochoren stehen, untersuchen. Dr. Lermontova teilte uns mit: „Es gibt über 100 verschiedene Kinetochorproteine und soweit wurden erst sehr wenige pflanzliche Kinetochorproteine beschrieben und funktionell charakterisiert. In der Projektgruppe konzentrieren wir uns auf die Aufklärung der Mechanismen hinter dem Zusammenbau von Kinetochoren.“

Darüber hinaus besteht ein großes Potential für eine praktische Anwendung der Kinetochor-Forschung, insbesondere in der Entwicklung von Haploid-Induktor Linien für die Kulturpflanzenzucht.

Dr. Lermontova: „Die Haploid-Induktion ist sehr wichtig in der Pflanzenzucht. Wenn zum Beispiel ein Getreidezüchter eine Eigenschaft verbessern möchte, benötigt man normalerweise sieben oder acht Generationen und somit sieben bis acht Jahre, bis man homozygote Linien hat, mit denen man die verbesserte Eigenschaft etablieren kann. Durch die Erzeugung von haploiden Kulturen, kann man Eigenschaften innerhalb einer Generation fixieren und somit die Effizienz stark erhöhen.“

Am IPK zeigte Dr. Lermontova zuvor, dass die Mutante des Kinetochorproteins KNL2 in Arabidopsis bei Kreuzungen mit Wildtyp-Stämmen Haploide erzeugt und, dass die Haploid-Induktions-Effizienz erhöht werden kann, indem die Haploid-Induktor-Linien Stressbedingungen ausgesetzt werden (I. Lermontova, WO 2017/067714).

Im Vergleich mit bereits existierenden in situ Haploid-Induktionsansätzen, bietet der KNL2-Ansatz eine vergleichsweise hohe Haploid-Induktions-Effizienz. Des Weiteren können mit KNL2 brauchbare homozygote Mutanten mit nur leicht verringerter Fitness als Haploid-Induktoren erzeugt werden. Der KNL2-basierte Induktionsansatz ist bereits etabliert und am IPK patentiert.

Dr. Lermontova: „Der nächste Schritt ist nun der Transfer des Ansatzes auf Kulturpflanzenarten. Aus diesem Grund sind wir gerade mit Pflanzenzuchtunternehmen im Gespräch. Jedoch ist es wichtig, dass wir zuerst die zugrundeliegenden Mechanismen vollständig verstehen – denn ohne dieses Wissen, kann man keine Kulturpflanzenart verbessern.“

Dr. Inna Lermontova
Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) Gatersleben
Tel.: +49 39482 5570
E-mail: lermonto@ipk-gatersleben.de

Samuel Le Goff et al. (2019), The H3 histone chaperone NASPSIM3 escorts CenH3 in Arabidopsis. The Plant Journal.
DOI: 10.1111/tpj.14518