Entschlüsselung der meiotischen Regulationsmechanismen

Durch die meiotische Zellteilung entstehen haploide Gameten aus diploiden Vorgängerzellen, daher ist die Meiose eine unabdingbare Vorraussetzung für die sexuelle Fortpflanzung. Die sequenzielle Chromosomensegregation der Meiose erfordert einen extensiven Umbau der Zellzyklus-Maschinerie. Regulationsmechanismen, welche die meiotische Zellteilung steuern, sind bisher nur spärlich erforscht und vor allem in multizellulären Organismen, wo die Meiose von nur wenigen spezialisierten Zellen durchgeführt wird, sehr unzureichend verstanden. In dem hier beschriebenen Projekt wollen wir die komplexen Mechanismen hinter der Steuerung der meiotischen Abläufe in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana genauer untersuchen. Ausgehend für dieses Projekt sind zwei wichtige meiotische Regulatoren. TDM1 ist ein pflanzenspezifisches Protein, dessen Defizienz zu einer versuchten Teilung der unreplizierten haploiden Nuclei, sozusagen zu einer dritten meiotischen Teilung, führt. Das zweite Protein ist SMG7, ein evolutionär konservierter Faktor des "nonsense"-vermittelten mRNA Abbaus. SMG7 wirkt anscheinend im gleichen Signalübertragungsweg wie TDM1 und Mutationen im SMG7-Gen verursachen einen einzigartigen Arrest in der zweiten Anaphase. Wir vermuten dass beide Proteine die Herabsetzung der Aktivität meiotischer Cyclin-abhängiger Kinasen (CDKs) fördern und daher essenziell für den Übergang von der Meiose in die nachfolgende haploide Mitose sind. Wir beabsichtigen das regulatorische Netzwerk um TDM1 und SMG7 zu erfassen und die Kernkomponenten der für die Meiose wichtigen Zellzyklus-Maschinerie zu definieren. Zuerst wollen wir meiose-spezifische Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen identifizieren und funktionell charakterisieren. Dafür werden wir Protein-immunlokalisation verwenden um die Expression aller Arabidopsis A- und B-Typ Cycline zu untersuchen. Weiters werden wir Mutanten der verheißungsvollsten Kandidaten untersuchen. Außerdem wollen wir den molekularen Mechanismus der TDM1 Aktivität entschlüsseln. Genauer gesagt werden wir auf genetische und biochemische Weise testen, ob TDM1 als Inhibitor meiotischer Cyclin-CDK Komplexe agiert. Letztendlich wollen wir die Rolle von SMG7 in der Meiose bestimmen. Anhand eines genetischen Screens wollen wir Zielmoleküle der SMG7-Aktivität identifizieren. Ein Durchleuchten der Regulationsmechanismen der meiotischen Zellteilung ist essenziell für das Verständnis der sexuellen Fortpflanzung in Pflanzen, welches wiederum entscheidenden Einfluss für die Entwicklung neuer Strategien in der Pflanzenzüchtung hat.

Meiose ist eine spezialisierte Zellteilung, die für die Entstehung haploider Keimzellen ausgehend von diploiden Vorgängerzellen notwendig ist. Die zugrunde liegende Regulierung und die Kontrollmechanismen der meiotischen Zellteilung sind bisher nur unzureichend charakterisiert, insbesondere in multizellulären Organismen, in denen die Meiose häufig auf einige wenige spezialisierte Zellen beschränkt ist. In diesem Projekt erforschten wir die Prinzipien der meiotischen Regulation in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana. Im Speziellen untersuchten wir einen meiotischen Regelkreis bestehend aus dem nonsense-mediated RNA decay (NMD)-Faktor SMG7, dem pflanzenspezifischen Protein TDM1 und dem Zyklin TAM, welche für den korrekten Ablauf der meiotischen Teilungen benötigt werden. Unsere Annahme war, dass dieser meiotische Regelkreis direkt die Aktivität meiotischer Zyklin-abhängiger Kinasen (CDK) beeinflusst. Um das Herzstück des meiotischen CDK-Oszillators zu identifizieren, charakterisierten wir das Expressionsmuster der Arabidopsis-Zykline in der Meiose. Überraschenderweise war keines der untersuchten Zykline essentiell für den Verlauf der Meiose, was darauf hinweist, dass die pflanzliche Meiose von anderen, nicht-kanonischen Zellzyklus-Regulatoren angetrieben wird. Um neue meiotische Gene zu identifizieren, führten wir einen Suppressor-Screen durch, der Mutationen identifizieren sollte, die die verringerte Fertilität von smg7 Mutanten wiederherstellen. Im Rahmen dieses Screens konnten wir eine große Anzahl an Mutantenlinien mit wiederhergestellter Fertilität isolieren. Unsere Anstrengungen, die Mutationen zu kartieren, ergab zahlreiche vielversprechende Kandidatengene, die in zukünftiger Forschungsarbeit im Detail charakterisiert werden. Bei der Untersuchung der Rolle des NMD-Faktors SMG7 machten des weiteren die unerwartete Entdeckung, dass NMD auch eine Rolle im pflanzlichen Immunsystem spielt indem NMD die Menge an Immunrezeptoren während einer Infektion reguliert. Dieses Phänomen stellt eines der ersten Beispiele für die funktionelle Bedeutung der Regulation physiologischer Transkripte durch NMD dar.