Meiotische Chromosomenpaarung in der Spalthefe S. pombe

Die Meiose ist eine spezielle Art von Zellteilung aus der Gameten (Samen- und Eizellen) hervorgehen. Im Zuge der Meiose lagern sich die einander entsprechenden elterlichen Chromosomen aneinander um Stücke auszutauschen und eine regelmäßige Trennung voneinander in der folgenden Teilung zu gewährleisten. Der Synaptonemale Komplex (SC) ist eine hoch konservierte Struktur in meiotischen Zellen. Trotz seiner gut untersuchten Ultrastruktur und chemischer Zusammensetzung ist seine Funktion strittig. Rekombination, Chromosomenkondensation und Kohäsion beruhen auf Faktoren, deren Homologie zu prokaryontischen Proteinen nahelegt, daß sie entwicklungsgeschichtlich alte Funktionen sind, denen in der Meiose eine ähnliche Rolle zukommt. Für Strukturkomponenten des SC wurden derartige Homologien nicht gefunden. Dies läßt vermuten, daß die meiotische Chromosomensynapsis eine Neuerfindung und von untergeordneter Bedeutung für die zentralen Funktionen der Meiose, nämlich Homologenerkennung und Austausch, ist. Da wir den SC bei der Mehrheit der Eukaryonten finden, muß er aber dennoch eine Aufgabe haben, die die Ausbildung und die Beibehaltung einer derart komplexen Struktur rechtfertigt. Die Linearen Elemente die bei S. pombe beschrieben wurden, könnten ein evolutionäres Relikt der SCs sein und das unbedingt nötige Minimum einer meiotischen Paarungsstruktur darstellen. Andererseits könnten sie evolutionäre Rudimente bar jeglicher Funktion sein. Die Existenz von Mutanten denen sie fehlen und deren Meiose behindert ist, läßt vermuten, daß sie doch eine Aufgabe haben. Hier soll die Zusammensetzung der Linearen Elemente untersucht werden um zu erkennen, welchen Bestandteilen des SC sie entsprechen. Weiters soll der räumliche und zeitliche Zusammenhang zwischen der Ausbildung der Linearen Elemente und des Auftretens von molekularer Rekombination und homologer Paarung studiert werden. Die Kenntnis über die Zusammensetzung und die Funktion der Linearen Elemente sollte helfen die strukturellen Voraussetzungen für chromosomale Prozesse bei der Meiose (und z.T: auch der Mitose) aufzuklären.

Der Synaptonemale Komplex (SC) ist jene hoch konservierte Struktur die den Zusammenhalt der homologen Chromosomen bei der meiotischen Paarung vermittelt. Damit hat er eine wichtige Rolle bei der Rekombination und der ordnungsgemäßen Verteilung der Chromosomen auf die Geschlechtszellen. Nur von weniger als einem Dutzend eukaryotischer Organismen (darunter ein wichtiger Modellorganismus, die Spalthefe Schizosaccharomyces pombe) ist bekannt, daß sie keinen SC besitzen. Stattdessen findet man bei S. pombe sogenannte Lineare Elemente (LE); diese könnten ein evolutionäres Relikt der SCs sein und das unbedingt nötige Minimum einer meiotischen Paarungsstruktur darstellen. Andererseits könnten sie evolutionäre Rudimente bar jeglicher Funktion sein. Im Projekt P16282 wurde die Zusammensetzung der LEs untersucht, um zu erkennen welchen Bestandteilen des SC sie entsprechen. Dabei wurde durch Immunfärbungen gefunden, daß die LEs das Protein Rec10 enthalten. Wie ebenfalls gezeigt wurde, ist Rec10 ein Homologes von Red1 der Bäckerhefe, welches ein Hauptbestandteil einer Untereinheit (des Axialelements) des SC ist. Weiters wurden Homologe der Proteine Hop1 und Mek1 in S. pombe LEs nachgewiesen. Hop1 und Mek1 sind ebenfalls Bestandteile von SCs. Damit ist die enge Verwandtschaft von S. pombe LEs zu den Axialelementen von SCs erwiesen (Lorenz et al., 2004). Aus früheren Arbeiten ist bekannt, dass Rec10 für die meiotische Rekombination essentiell ist. Wir konnten zeigen, dass das Rekombinationsprotein Rec7 (ein Faktor der an der Entstehung meiotischer DNA Doppelstrangbrüche beteiligt ist) und Rec10 in den meiotischen Zellkernen co-lokalisieren. Das bedeutet, dass Doppelstrangbrüche räumlich an LEs gebunden sind. Daraus haben wir geschlossen, dass LEs die verschiedenen Faktoren welche an der Initiation der meiotischen Rekombination beteiligt sind, an vorbestimmte Stellen in den Chromosomen leiten. Während nun also die LEs eine Funktion bei der Entstehung der Doppelstrangbrüche haben, konnte dies für die verwandten Strukturen, die Axialelemente der SCs, noch nicht gezeigt werden. Es ist denkbar, dass auch die Axialelemente, zumindest bei einigen Organismen, diese Funktion haben.