Neue meiotische Gene des Protisten Tetrahymena

Die Meiose ist jene Zellteilung, aus der bei Organismen mit sexueller Fortpflanzung die männlichen und weiblichen Geschlechtszellen entstehen. Diese besitzen einen einfachen Chromosomensatz, der bei der Befruchtung in der Zygote wieder aufgedoppelt wird. Meiotische Defekte sind die Ursache von Sterilität, Fehlgeburten und Erbkrankheiten. Die Meiose entstand wahrscheinlich im gemeinsamen Vorfahren aller höheren Lebewesen und hat seither einige Weiterentwicklungen erfahren. Insbesondere der einzellige Protist Tetrahymena zeigt zahlreiche Abweichungen vom allgemeinen Meiose-Schema der bekannteren Organismen. Er bildet keinen Synaptonemalen Komplex, jene Struktur die der Paarung meiotischer Chromosomen dient und die hoch konserviert in nahezu allen anderen Eukaryoten gefunden wird. Dafür verlängert Tetrahymena seine meiotischen Zellkerne auf das Doppelte der Zelllänge und erreicht dadurch die Anordnung der Chromosomen in dichten Bündeln. Insgesamt jedoch ist Tetrahymena der Organismus mit der am stärksten rückgebildeten, aber trotzdem voll funktionsfähigen Meiose. Wir möchten wissen, wie diese Minimalmeiose funktioniert, und gleichzeitig daraus lernen, warum sich die meisten Organismen eine so viel aufwändigere Meiose leisten. Dazu wollen wir Gene, die zum Zeitpunkt der Meiose hoch exprimiert werden, mutieren. Anhand der durch Mutation erzeugten Defekte werden wir feststellen, ob und für welchen Prozess in der Meiose diese Gene eine Rolle spielen. Bei der Auswahl der Kandidaten-Gene stützen wir uns auf publizierte Daten zur Stadium-abhängigen Genexpression bei Tetrahymena. Zur weiteren Überprüfung ihrer Funktion wollen wir die Genprodukte durch Protein-Markierung oder Antikörper-Färbung in den Zellen lokalisieren. Dadurch erwarten wir Erkenntnisse über die Zahl und die Rolle der an einer solchen Minimalmeiose beteiligten Gene. Ausserdem hoffen wir weitere Faktoren zu finden, die die einzigartige (durch Doppelstrangbrüche in der DNA ausgelöste) Kernverlängerung, und damit die Chromosomenpaarung, regulieren und mechanisch ermöglichen.

Die Meiose ist jene Teilung, durch die aus normalen Körperzellen (mit zwei Kopien jedes Chromosoms) Geschlechtszellen (Ei- oder Samenzellen) entstehen. Sie ist ein komplexer Vorgang, und viele Einzelheiten des Prozesses sind ungenügend verstanden. Ihr Verständnis ist wichtig aus der Sicht der Reproduktionsmedizin und für die Entwicklung von Methoden zur Erzielung von erwünschten Merkmalskombinationen bei der Züchtung von Nutztieren und Pflanzen. Hier untersuchten wir die Meiose von Tetrahymena thermophila, einem einzelligen Organismus, der sich früh in der Evolution von den Pflanzen, Pilzen und Tieren abgetrennt hat. Das Ziel war die Identifizierung von Meiosegenen, die allen diesen Gruppen gemeinsam sind und daher die mögliche minimale Ausstattung für die Proto-Meiose am Beginn der Eukaryoten-Evolution darstellen. Wir mutierten 78 bislang uncharakterisierte Gene, die zeitgleich mit der Meiose exprimiert werden, und untersuchten die Auswirkungen auf die Meiose. Nur ~22% dieser Gene waren unentbehrlich für die meiotische Paarung oder Rekombination, ~27% funktionieren wahrscheinlich zeitversetzt in der postmeiotischen Entwicklung der Gameten oder bei der Reifung der geschlechtlichen Nachkommen. Die Entfernung von ~34% der Gene hatte keine merklichen Folgen; möglicherweise arbeiten sie redundant oder ihr Beitrag zur Funktion der Meiose ist so subtil, dass er unter den für die Zellen weitgehend stressfreien Laborbedingungen nicht zum Tragen kommt. Die restlichen Gene dürften eine allgemeine Rolle für die Chromosomenstruktur oder die Regulierung des Zellzyklus spielen. Vier neue Gene stellten sich als essenziell für eine normale Häufigkeit von Crossovers heraus. Drei davon (BIME1, BIME2, ZHP3) begünstigen die Interaktion von homologen Chromosomen durch die Einwanderung von DNA-Strängen. Von einem Gen (PARS11) zeigte sich, dass es die Bildung von DNA Doppelstrangbrüchen durch Spo11 unterstützt aber zugleich auch limitiert. Die Deletion von zwei Genen (EMIT1, RIB1) verhinderte die Transkription der sogenannten scan-RNA, die Teil eines Mechanimus zur somatischen DNA-Eliminierung in den somatischen Kernen ist. Die Eliminierung von ca. 30% des Genoms ist für die Entwicklung geschlechtlicher Nachkommen wichtig. Schließlich fanden wir das Gen SEMI1. Es codiert ein Protein mit einer zentralen Rolle bei der Selektion eines der vier Produkte einer Meiose zum Gametenkern. Dieser Gametenkern befruchtet einen Gametenkern der Partnerzelle zur Erzeugung sexueller Nachkommen. Insgesamt zeigte sich, dass Tetrahymena über ein vergleichsweise kleines Repertoire an Meiose-spezifischen Genen verfügt, was diesen Organismus zu einem überschaubaren Modell zur Untersuchung der essenziellen Meioseprozesse macht.