(Epi)genetische Aspekte des männlichen Gametophyten

Heterochromatin ist an vielen chromosomalen Vorgängen, z. B. der Inaktivierung und Rekombinationshemmung repetitiver DNA Elemente, der Chromosomensegregation und der räumlichen Interaktion, beteiligt. Im Gegensatz zur schnell wachsenden Zahl der Faktoren, die zur Bildung und Stabilität des Heterchromatin in Eukaryonten beitragen, weiss man wenig über die gegenläufigen Mechanismen, die diese Vorgänge umkehren. Ziel dieses Projektes ist es, die Regulation und Funktion der Heterochromatinauflösung anhand der Modellpflanze Arabidopsis zu untersuchen. Zytologische und molekulare Untersuchungen der vegetativen und generativen Zellkerne in Arabidopsis Pollen haben gezeigt, dass das Heterochromatin in den vegetativen Kernen aufgelöst wird. Drei sich ergänzende genetische Ansätze, für die die notwendigen Voraussetzungen erfüllt sind, sollen dazu beitragen, die beteiligten Gene zu identifizieren: (1) transgene Linien mit fluoreszenz-markierten Proteinen, die die in vivo Unterscheidung vegetativer Kerne und zentromeren Heterochromatins erlauben; (2) definierte T-DNA Insertionen in Genen, die für die gametophytische Entwicklung notwendig sind; und (3) gewebe-spezifische Transkriptom- Daten. Zusätzlich sollen mögliche genetische Veränderungen in den vegetativen und generativen Kernen, wie z. B. DNA Deletionen und Amplifikationen, mit Hilfe der Microarray-Technologie untersucht werden. Diese Studien lassen neue Einblicke in die Plastizität und Dynamik des Heterochromatins im entwicklungsbiologisch regulierten Zusammenhang erwarten.

Transposons sind parasitäre DNA Elemente, die sich innerhalb des tierischen- und pflanzlichen Genoms an unterschiedlichsten Stellen integrieren können, sofern sie nicht durch Verteidigungsmechanismen daran gehindert werden. DNA Methylierung eine Markierung auf der genomischen DNA, die durch das enzymatische Hinzufügen von jeweils einer Methyl Gruppe an eine Cytosin-Base etabliert wird ist mit der Stillegung von Transposons assoziiert. Diese Methylierung ist reversibel, indem Methyl-Cytosin durch Cytosin mit Hilfespezifischer Enzyme ersetzt wird. Nicht methylierte DNA tritt im Zusammenhang mit der Aktivierung von Genen auf. Während der Zellteilung sorgen Methyltransferasen für die Duplikation bereits existierender Methylierung. Da dieser Vorgang oft fehlerhaft ist, kommt es während der Entwicklung vom befruchteten Ei zum ausgewachsenen Organismus zu einem Verlust von Methylierung an manchen Cytosinmolekülen. Eine dringende Aufgabe sowohl bei tierischer als auch pflanzlicher Reproduktion ist daher das stabile Stillegen der Transposons über mehrere Generationen hinweg. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine aktive DNA De- Methylierung in pflanzlichen Begleitzellen jene de novo Methylierung von DNA in Gameten verstärkt, um für die nächste Generation eine vollständige Methylierung und Stillegung der Transposons zu gewährleisten. Blütenpflanzen produzieren männliche und weibliche Gametophyten, die aus den Gameten und ihren Begleitzellen bestehen. Die vegetative Zelle des Pollen (Begleitzelle im Pollen) formt den Pollenschlauch, durch den die zwei Spermien zur Samenanlage gelangen. Dort verbindet sich ein Spermium mit der Zentralzelle (Begleitzelle der Eizelle) und bildet das Endosperm, das den Embryo ernährt. Der Embryo entsteht durch die Verschmelzung von Eizelle und zweitem Spermium. In Pflanzen sind sogenannte DNA Glykosylasen für den De-methylierungsprozess zuständig. Wir konnten zeigen, dass die DNA Glykosylase DEMETER aus der Pflanze Arabidopsis thaliana im Genom der Zentralzelle und der vegetativen Zelle tausende Transposons de-methyliert, und somit eine denovo Methylierung der gleichen Transposons in den Genomen der Eizelle und Spermien induziert. Diese neue Entdeckung ist spannend, da DEMETER die zwei gegensätzlichen Prozesse Methylierung und De-Methylierung sowohl im mänlichen wie auch im weiblichen Gameten reguliert. Welcher Mechanismus steckt hinter diesen Prozessen? Bei der de novo DNA Methylierung werden spezielle RNA Moleküle, sogenannte small-RNAs verwendet, um komplementäre DNA Sequenzen zu finden und zu methylieren. Dadurch kommt man zu dem offensichtlichen Schluss, dass DNA De-Methylierung zusammen mit der Aktivierung von Transposons in Begleitzellen mobile Signale produzieren small RNAs die in die Gameten transportiert werden, um nachfolgende Generationen vor der Aktivierung von Transposons zu schützen.Ein Dilemma bei der small RNA -abhängigen DNA Methylierung ist, dass Zellen die Transposon DNA zuerst in RNA umgeschreiben und zerschneiden müssen, um die small RNAs zu erhalten. Das Abschreiben der Transposons erhöht aber das Risiko einer Aktivierung und Mobilisierung der Transposons im Genom. Pflanzen haben mit Begleitzellen eine clevere Lösung zu diesem Problem gefunden: Die Begleitzellen, die nicht an die Nachkommenschaft weitergegeben werden, riskieren ihr Leben, um Spermien und Eizellen vor mobilen und aktiven Transposons zu schützen.