Ursachen und Folgen der chromosomale Instabilität

Die DNA eines jeden Lebewesens ist in sogenannte Chromosomen organisiert. Menschliche Zellen besitzen jeweils zwei Chromosomen der gleichen Art. Diese müssen während der Zellteilung gleichermaßen zwischen den Tochterzellen aufgeteilt werden, so dass jede einen gleichen Satz an Chromosomen erhält. Trotzdem kann es vorkommen, dass Tochterzellen eine vom Normalzustand abweichende Anzahl an Chromosomen bekommen, dies wird als Aneuploidie bezeichnet. Aneuploidie ist schädlich, oftmals sogar tödlich für die Zelle. Während der Entwicklung eines Menschen kann sie zu Fehlgeburten oder genetischen Störungen wie dem Down-Syndrom führen. Überraschenderweise scheint dies nicht auf Krebszellen zuzutreffen, welche oft nicht nur überleben, sondern geradezu mit Aneuploidie gedeihen. Die erste Frage, der wir uns widmen wollen, lautet: Wie verhindern gesunde Zellen Aneuploidie? Bestimmte Mechanismen erlauben es der Zelle zwischen richtig in der Äquatorialebene liegenden und falsch angeordneten Chromosomen, die eine Korrektur benötigen, zu unterscheiden. Diese Mechanismen funktionieren allerdings nicht immer. Bei fehlerhafter Anordnung der Chromosomen erhöht sich die Chance, dass eine Tochterzelle fälschlicherweise zwei Kopien und die andere gar keine erhält. Solche Ereignisse werden Chromosomenfehlverteilung genannt. Der sogenannte Chromosomal Passenger Complex (CPC) ist in einem der Korrekturmechanismen involviert. Wir untersuchen diesen Komplex in der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, um herauszufinden, wie er zur Erkennung falsch angeordneter Chromosomen beiträgt. Die Bäckerhefe ist ein häufig genutzter Modellorganismus, der sich besonders gut für genetische Studien eignet. Mittels Mikroskopie und Biochemie wollen wir neue Erkenntnisse über die Funktion des CPC gewinnen, und damit zu einem besseren Verständnis beitragen, wie Zellen Aneuploidien vermeiden. Unsere zweite Forschungsfrage lautet: Welche Adaptionen erlauben es Zellen eine falschen Chromosomenbestand zu überleben? Einerseits kann eine Fehlverteilung zu Zellen ohne Kopien eines bestimmten Chromosoms führen, was beinahe ausnahmslos zum Tod der Zellen führt. Andererseits könnte eine Zelle eine zusätzliche Kopie eines Chromosoms erhalten was zu einer deutlich erhöhten Expression der darauf befindlichen Gene führt. In Anbetracht dessen, dass sich mehrere tausend Gene auf jedem Chromosom befinden, ergeben sich somit unzählige Möglichkeiten, wie Zellfunktionen gestört werden können. Unser Ziel ist es, Mutationen in der Bäckerhefe zu identifizieren, die es ihr ermöglichen, diese Art von Defekten zu überwinden. Ausgehend von Zellen, deren Zustand aufgrund von Fehlern in der Chromosomenanordnung stark beeinträchtigt ist, werden wir diese nach besserem Wachstum über mehrere Generationen selektieren. Der kurze Lebenszyklus der Hefe erlaubt es uns, diese Experimente innerhalb von Wochen anstatt Jahren durchzuführen. Diese Experimente sollen zu einem besseren Verständnis von Chromosomenfehlverteilung im Allgemeinen führen und auch Einblicke geben, wie Krebszellen unter ähnlichen Bedingungen überleben.

Die DNA jedes Organismus ist in einzelne Einheiten unterteilt, die Chromosomen genannt werden. Während der Zellteilung muss jede der Tochterzellen die korrekte und gleiche Anzahl an Chromosomen erhalten. Tochterzellen haben jedoch manchmal die falsche Anzahl an Chromosomen, ein Zustand, der als Aneuploidie bezeichnet wird. Im Allgemeinen ist Aneuploidie schädlich und oft tödlich für die Zelle. In der menschlichen Entwicklung kann sie zu Fehlgeburten oder genetischen Störungen wie dem Down-Syndrom führen. Paradoxerweise weisen die meisten Krebszellen Aneuploidie auf und überleben oder profitieren sogar davon. Krebszellen enthalten häufig die falsche Anzahl an Chromosomen, weil sie bei der Aufteilung der Chromosomen an die Tochterzellen oft Fehler machen. . Solche Fehler werden als Chromosomenmissegregation bezeichnet. Missegregation der Chromosomen und die daraus resultierende Aneuploidie wären normalerweise sehr schlecht für Zellen. Wir wollten daher herausfinden, wie sich Zellen entwickeln könnten, um mit der Chromosomenfehlverteilung zu überleben. Wir haben zunächst ein System zur Untersuchung aneuploider Zellen mit einem einfachen Zelltyp - Hefe - entwickelt. Einige Hefearten haben eine ähnliche Anzahl von Chromosomen wie Menschen und eignen sich daher gut zur Untersuchung von Aneuploidie. Wir begannen mit Zellen, die aufgrund häufiger Chromosomenfehlverteilungen stark beeinträchtigt waren. Dann ließen wir sie im Labor über hunderte von Generationen lang wachsen, um zu sehen, wie sie sich im Laufe der Zeit verändern würden. Das schnelle Wachstum der Hefe ermöglichte es uns, solche evolutionären Experimente in nur wenigen Wochen durchzuführen. Als nächstes sequenzierten wir das gesamte Genom der Hefe, um festzustellen, welche Veränderungen an ihrer DNA und ihren Chromosomen aufgetreten waren. Wir fanden heraus, dass es bestimmte Chromosomen gab, die sehr häufig in zusätzlichen Kopien vorhanden waren. Die Aneuploidie dieser Chromosomen verringerte die Anzahl der Chromosomenfehlverteilungen, was darauf hindeutet, dass die Aneuploidie selbst zum Anpassungsprozess beiträgt. Als nächstes wollten wir feststellen, ob in menschlichen Zellen ähnliche Dinge passieren. Mithilfe unseres Wissens über Hefe führten wir Anpassungsexperimente mit menschlichen Zellen durch, um zu ermitteln, ob diese nach einer Erhöhung der Chromosomenfehlverteilungsrate mit der Zeit ebenfalls bestimmte Chromosomen gewinnen oder verlieren. Tatsächlich wurden in nahezu jeder angepassten Zellpopulation bestimmte Chromosomen gewonnen oder verloren. Erstaunlicherweise waren die Chromosomen, die am häufigsten gewonnen wurden auch jene die in Krebszellen am häufigsten aneuploid sind! Wir konnten daher erstmals Aneuploidiemuster rekapitulieren, die zuvor in Krebszellen identifiziert wurden. Darüber hinaus konnten wir einzelne Gene auf zwei der häufig aneuploiden Chromosomen identifizieren , die zu ihrer Selektion beitrugen. Wir glauben, dass diese Art von Experimenten in Zukunft weiterhin Einblicke in die Auswirkungen der Aneuploidie auf Zellen liefern werden, und wir hoffen, dass diese Erkenntnisse die Grundlage für zukünftige Krebsbehandlungen bilden werden, die auf den in einzelnen Tumoren vorhandenen spezifischen aneuploiden Chromosomen basieren.