Analyse der Est1 Proteine in Chromosome Segregation

Grundlegend für das Überleben und die Entwicklung eines Organismus sind Mechanismen, die bei der Zellteilung die genaue Auftrennung des genetischen Materials an die Tochterzellen kontrollieren. Vorraussetzung für die getreue Aufteilung der Chromosomen ist deren genaue Ausrichtung. Dabei werden die Schwesterchromatiden über deren Kinetochore mit Mikrotubuli verbunden, die von zwei sich gegenüberliegenden Spindelpolen ausgehen. Die eigentliche Trennung der Chromosomen wird durch die Aktivierung des Anaphase Promoting Complex (APC) initiiert, jedoch erst nachdem sich während der Metaphase alle Chromosomen ausrichten. Dieser APC Proteinkomplex spielt eine Schlüsselrolle in der Koordinierung mitotischer und meiotischer Abläufe. Er verbindet die Chromatidenteilung mit der Regulierung der Aktivität von Cyclin abhängingen Kinasen (CDKs). Während unserer Arbeit an der Modellpflanze Arabidopsis thaliana konnten wir ein neues und evolutionär konserviertes Gen namens EST1B identifizieren. Dieses Gen erscheint als essentielle Komponente eines neuen und nur wenig erforschten Kontrollmechanismus der meiotischen Zellteilung. Die Inaktivierung des Gens resultiert in einem außergewöhnlichen Phänotyp: Der Zellzyklus arretiert in der Anaphase und somit wird die zweite meiotische Teilung nicht beendet. Daraus kann man schließen, dass das EST1B Protein für die Harmonisierung der meiotischen Chromosomenteilung mit dem Ablauf des Zellzyklus notwendig ist. Das EST1B Protein enthält eine konservierte EST1 Domäne, über die eine ganze Proteinfamilie definiert ist und die in allen höheren Eukaryonten inklusive dem Menschen vorkommt. Bisher wurden EST1 Proteine mit der Erhaltung der Telomere und einem Kontrollmechanismus zum Abbau von fehlerhaften mRNAs (nonsense meditated RNA decay NMD) in Verbindung gebracht, aber weitere Rollen in anderen zellulären Prozessen sind unbekannt. Hiermit beantragen wir die Funktion des EST1B Proteins in der meiotischen Chromsomenteilung in den Modellorganimsen Arabidopsis thaliana und Schizosaccharomyces pombe zu analysieren. Zusätzlich planen wir auch die nicht meiotischen Rollen des Arabidopsis EST1B Proteins zu erforschen und eine funktionelle Analyse der EST1 Domäne durchzuführen. Um die molekularen Mechanismen und die eigentliche Funktion des EST1B Proteins zu verstehen, wollen wir eine Transkriptom Analyse durchführen und interagierende Proteine identifizieren. Abläufe, die eine genaue Auftrennung der Chromosomen dirigieren, sind evolutionär konserviert. Daher werden die Ergebnisse von unserer hier vorgeschlagenen Studie wahrscheinlich an anderen Eukaryonten und am Menschen anwendbar sein.

Der "nonsense"-vermittelte mRNA Abbau (NMD) ist ein evolutionär konservierter RNA Qualitätskontrollmechanismus. Dieser Mechanismus ist essenziell in höheren Eukaryonten. Die Inaktivierung von NMD Schlüsselkomponenten verursacht Letalität in Fliegen, Säugern und Pflanzen. Wie die Veränderung des NMD Signalübertragungsweges zu entwicklungsbiologischen Defekten und zur Letalität beiträgt, ist noch unklar. In diesem Projekt untersuchen wir die Funktion des konservierten NMD Faktors SMG7 in Arabidopsis. Pflanzen, die eine hypomorphe Mutation im SMG7 Gen tragen, zeigen eine Reihe an scheinbar pleiotrophen Phenotypen, die vom stark eingeschränkten Wachstum bis zur Infertilität reichen. Überraschenderweise waren wir in der Lage diese Phenotypen zu Defekten in zwei spezifischen Signalkaskaden zu zuordnen: der Immunantwort und der sexuellen Zellteilung. Wir entdeckten, dass smg7 Mutanten typische Charakteristika einer konstitutiv aktivierten Immunantwort zeigen, und dass eine genetische Abschwächung der Immunantwort zur Aufhebung aller vegetativen Wachstums- und Entwicklungsdefekte führt. Die Analyse von Pflanzen, die Mutationen in anderen NMD Genen (UPF1, UPF3) tragen, zeigt, dass die Aktivierung der Immunantwort stark mit dem Defekt in NMD assoziiert ist. In der Tat ist der Defekt in der Immunantwort verantwortlich für die Letalität einer Mutante, in welcher NMD komplett ausgeschaltet ist. Dies ist eine sehr signifikante Entdeckung, da es darauf hinweist, dass die Letalität von NMD-defizienten Organismen nicht, so wie allgemein geglaubt, nur durch eine pleiotrophe Störung des Zellmetabolismus hervorgerufen wird, sondern durch die Aktivierung einer massiven Autoimmunantwort. Wir konnten weiters feststellen, dass die Infertilität der smg7 Mutanten durch einen spezifischen Arrest in der Anaphase II der meiotischen Zellteilung verursacht wird. Jedoch im Kontrast zu den vegetativen Defekten, ist die fehlgeleitete Meiose spezifisch für smg7 Mutanten und wurde nicht an anderen NMD Mutanten beobachtet. Die genetische Analyse zeigt, dass SMG7 zusammen mit einem anderen meiotischen Regulator, TDM1, im gleichen Signalübertragungsweg agiert um den Ausgang der Meiose zu ermöglichen. Weiters konnten wir zeigen, dass das Cyclin TAM spezifisch in der ersten meiotischen Teilung exprimiert wird und zugleich eine stimulierende sowohl als auch inhibierende Wirkung auf den Ablauf der zweiten meiotischen Teilung hat. Basierend auf diese Daten stellen wir ein Modell der Regulierung der meiotischen Abläufe in Arabidopsis dar. Dieses Modell ist wichtig für die Planung weiterer Experimente, welche die Regulierung der Meiose in Arabidopsis entschlüsseln, was wiederum wichtig für die Entwicklung neuer Züchtungstrategien in Pflanzen ist.