Die Regulation der Anaphase in Wirbeltierzellen

Bei der Teilung eukaryonter Zellen erfolgt die Verteilung der Erbinformation in zwei Schritten: Die DNA wird zunächst in der Synthese (S)-Phase durch Replikation verdoppelt und in der Anaphase der sich anschließenden Mitose durch Chromosomen-Segregation auf die sich bildenden Tochterzellen verteilt. In dem Zeitraum zwischen diesen beiden Ereignissen bleiben die verdoppelten DNA-"Schwester"-Molekülen miteinander verbunden. Dieses Phänomen wird als Chromosomen-Kohesion bezeichnet und stellt sicher, daß in der Mitose aus den verdoppelten DNA-Molekülen Chromosomen mit bilateraler Symmetrie entstehen. Diese Symmetrie stellt wiederum eine Voraussetzung für die gleiche Verteilung der Chromosomen-Hälften (Schwester-Chromatiden) in der Anaphase dar. Defekte in der Chromosomen-Kohesion können zu ungleicher Aufteilung der Schwester-Chromatiden und damit zur Bildung sogenannter aneuploider Tochterzqllen führen. (Zellen mit ungeraden Chromosomen-Sätzen). Aneuploidie ist in zahlreichen menschlichen Tumorzellen beobachtet worden. und. ist weiterhin die Ursache für bestimmte Erbkrankheiten wie z. B. Trisomie 21. Die Untersuchung der molekularen Grundlagen der Chromosomen-Kohesion wird daher nicht nur von großer Bedeutung für die Aufklärung mitotischer und meiotischer Mechanismen sein, sondern auch für das Verständnis menschlicher Krankheiten, die mit der Entstehung aneuploider Zellen einhergehen. Wie Chromosomen-Kohesion entsteht und bis zur anschliegenden Anaphase aufrecht erhalten wird (im speziellen Fall menschlicher Eizenen bis zu 40 Jahre lang) ist nur wenig verstanden. Jüngste Untersuchungen an Hefezellen und an Froscheiern haben gezeigt, daß Proteine, die als Kohesine bezeichnet werden, für die Chromosomen- Kohesion notwendig sind und daß diese Proteine von Chromosomen abdissoziieren müssen bevor die Anaphase eingeleitet werden kann. Verschiedenen Beobachtungen deuten darauf hin, daß ein hochmolekularer Proteinkomplex, der als "Anaphase-promoting complex" (APC) bezeichnet wird, aktiviert werden muß, bevor die Chromosomen-Segregation stattfinden kann. Wie APC-Aktivierung zur Einleitung der Anaphase führt, ist jedoch kaum verstanden. Das langfristige Ziel der in diesem Projekt vorgeschlagenen. Experimente ist es daher, die Mechanismen aufzuklären, durch die APC-Aktivierung zur Segregation der Chromosomen führt. Dazu sollen durch biochemische und zellbiologische Untersuchungen an menschlichen Zellen und an Froscheiern Proteine untersucht werden, die die Anaphase regulieren, wie APC, Kohesine und ESP1, ein Protein, das vermutlich eine wichtige Rolle bei der Einleitung der Chromosomen-Segregation spielt.

Die meisten Organismen vererben ihr Genom von einer Zellgeneration zur nächsten, in dem sie zunächst ihre DNA in der S-Phase des Zellzyklus verdoppeln und anschließend die verdoppelte DNA in der Mitose auf die sich bildenden Tochterzellen verteilen. In der Mitose wird die DNA in Chromosomen verpackt, in denen die zuvor verdoppelten DNA-Stränge mikroskopisch als Schwesterchromatiden sichtbar werden. Jedes Chromosom wird dann mit beiden Polen des Spindelapparates verbunden. In einem als Anaphase bezeichneten Abschnitt der Mitose werden die Schwesterchromatiden anschließend voneinander getrennt und vom Spindelapparat zu entgegengesetzten Polen der sich teilenden Mutterzelle gezogen. Das Ziel dieses Projektes war es, zu verstehen, wie Schwesterchromatiden am Beginn der Anaphase voneinander getrennt werden. Wir haben entdeckt, dass dieser Prozess von einem Enzym eingeleitet wird, das spezielle Proteine spaltet, die die beiden Schwesterchromatiden zusammenhalten. Wir haben dieses Enzym Separase genannt, da es die beiden Schwesterchromatiden am Beginn der Anaphase voneinander trennt. Vor der Anaphase wird Separase durch ein inhibitorisches Protein in seiner Aktivität gehemmt, das als Securin bezeichnet wird. Wenn alle Chromosomen einer mitotischen Zelle an beide Pole des Spindelapparates angeheftet worden sind, wird Securin abgebaut, wodurch Separase aktiviert wird und die Trennung der Schwesterchromatiden einleiten kann. Die Fehlverteilung von Chromosomen kann Erbkrankheiten wie das DownSyndrom (Trisomie 21) erzeugen und trägt möglicherweise ebenfalls zur Entstehung menschlicher Tumore bei. Erkenntnisse über die Regulation der Chromosomenverteilung könnten daher helfen, die Ursachen dieser Krankheiten zu verstehen. Enzyme wie Separase, die die Chromosomenverteilung regulieren, könnten ebenfalls neue Angriffspunkte für die Entwicklung von Medikamenten zur Behandlung von Krebserkankungen darstellen.