Nachrichten | Winzige DNA-Verbindungen regulieren das Crossing-over und schützen die Chromosomenstabilität
Jedes neue Leben beginnt mit einer präzisen genetischen Rekombination. Bei der Bildung von Eizellen oder Spermien paaren sich die mütterlichen und väterlichen Chromosomen und tauschen durch Crossing-over DNA-Abschnitte aus. Mindestens ein Rekombinationsereignis pro Chromosomenpaar ist für die Fruchtbarkeit und eine stabile Chromosomenzahl erforderlich, doch zu viele DNA-Brüche oder Austausche können das Genom gefährden. Wie halten Zellen das richtige Gleichgewicht?
Eine von Dr. João Matos an den Max Perutz Labs geleitete Studie befasste sich mit dieser seit Langem offenen Frage. Die Ergebnisse wurden in 2025 in Nature veröffentlicht.
Das Team stellte fest, dass die winzigen DNA-Strukturen, die als Holliday-Junctions bezeichnet werden, mehr sind als Zwischenstufen des Crossing-over. Sie tragen auch zur Aufrechterhaltung des reißverschlussartigen synaptonemalen Komplexes bei, der gepaarte Chromosomen verbindet. Stabile Holliday-Junctions signalisieren der Zelle, keine weiteren DNA-Brüche zu erzeugen, und schützen so das Genom vor Schäden.
„Wir stellten die Hypothese auf, dass Holliday-Junctions keine passiven DNA-Verbindungen, sondern zentrale Elemente beim Aufbau und Erhalt des synaptonemalen Komplexes sind und sicherstellen, dass die Chromosomen gepaart bleiben, bis die Crossing-over-Stellen bereit sind.“
—Dr. João Matos, Leiter des Forschungsteams
Um die Hypothese zu prüfen, verwendete der Erstautor Adrian Henggeler Hefen, deren meiotische Mechanismen denen menschlicher Zellen ähneln und die daher ein nützliches genetisches Modell darstellen.
Mithilfe eines vom Labor entwickelten molekularen Werkzeugs „fror“ Henggeler Millionen von Hefezellen ein, während Holliday-Junctions und synaptonemale Komplexe gleichzeitig vorhanden waren, jedoch bevor ein Chromosomenaustausch stattfand. Anschließend entfernte er die DNA-Verbindungen gezielt und beobachtete die Reaktion der Zellen in Echtzeit.
„Das war einer unserer Heureka-Momente“, erinnerte sich Henggeler. „Sobald die Holliday-Junctions entfernt waren, kollabierte der synaptonemale Komplex in Echtzeit – genau wie wir es vermutet hatten und unter dem Mikroskop sichtbar.“
Ohne Holliday-Junctions zerfiel der synaptonemale Komplex sofort, neue DNA-Brüche begannen sich erneut zu bilden, und die Meiose wurde gestört.
„Die Studie zeigt einen einfachen, eleganten Rückkopplungsmechanismus“, fügte Matos hinzu. „Sobald Crossing-over-Stellen und der synaptonemale Komplex stabil etabliert sind, ‚weiß‘ die Zelle, dass sie keine weiteren Brüche erzeugen muss und mit der Meiose fortfahren kann.“
Die nächste Herausforderung besteht darin festzustellen, ob derselbe Mechanismus auch bei Säugetieren gilt. Sollte sich dies bestätigen, könnte er wichtige Hinweise auf die Fruchtbarkeit und Genomstabilität bei verschiedenen Arten sowie neue Forschungsansätze für Fruchtbarkeitsstörungen oder Chromosomenerkrankungen liefern.
Nachrichten | Winzige DNA-Verbindungen regulieren das Crossing-over und schützen die Chromosomenstabilität
Nachrichten | Winzige DNA-Verbindungen regulieren das Crossing-over und schützen die Chromosomenstabilität
Jedes neue Leben beginnt mit einer präzisen genetischen Rekombination. Bei der Bildung von Eizellen oder Spermien paaren sich die mütterlichen und väterlichen Chromosomen und tauschen durch Crossing-over DNA-Abschnitte aus. Mindestens ein Rekombinationsereignis pro Chromosomenpaar ist für die Fruchtbarkeit und eine stabile Chromosomenzahl erforderlich, doch zu viele DNA-Brüche oder Austausche können das Genom gefährden. Wie halten Zellen das richtige Gleichgewicht?
Eine von Dr. João Matos an den Max Perutz Labs geleitete Studie befasste sich mit dieser seit Langem offenen Frage. Die Ergebnisse wurden in 2025 in Nature veröffentlicht.
Das Team stellte fest, dass die winzigen DNA-Strukturen, die als Holliday-Junctions bezeichnet werden, mehr sind als Zwischenstufen des Crossing-over. Sie tragen auch zur Aufrechterhaltung des reißverschlussartigen synaptonemalen Komplexes bei, der gepaarte Chromosomen verbindet. Stabile Holliday-Junctions signalisieren der Zelle, keine weiteren DNA-Brüche zu erzeugen, und schützen so das Genom vor Schäden.
„Wir stellten die Hypothese auf, dass Holliday-Junctions keine passiven DNA-Verbindungen, sondern zentrale Elemente beim Aufbau und Erhalt des synaptonemalen Komplexes sind und sicherstellen, dass die Chromosomen gepaart bleiben, bis die Crossing-over-Stellen bereit sind.“
—Dr. João Matos, Leiter des Forschungsteams
Um die Hypothese zu prüfen, verwendete der Erstautor Adrian Henggeler Hefen, deren meiotische Mechanismen denen menschlicher Zellen ähneln und die daher ein nützliches genetisches Modell darstellen.
Mithilfe eines vom Labor entwickelten molekularen Werkzeugs „fror“ Henggeler Millionen von Hefezellen ein, während Holliday-Junctions und synaptonemale Komplexe gleichzeitig vorhanden waren, jedoch bevor ein Chromosomenaustausch stattfand. Anschließend entfernte er die DNA-Verbindungen gezielt und beobachtete die Reaktion der Zellen in Echtzeit.
„Das war einer unserer Heureka-Momente“, erinnerte sich Henggeler. „Sobald die Holliday-Junctions entfernt waren, kollabierte der synaptonemale Komplex in Echtzeit – genau wie wir es vermutet hatten und unter dem Mikroskop sichtbar.“
Ohne Holliday-Junctions zerfiel der synaptonemale Komplex sofort, neue DNA-Brüche begannen sich erneut zu bilden, und die Meiose wurde gestört.
„Die Studie zeigt einen einfachen, eleganten Rückkopplungsmechanismus“, fügte Matos hinzu. „Sobald Crossing-over-Stellen und der synaptonemale Komplex stabil etabliert sind, ‚weiß‘ die Zelle, dass sie keine weiteren Brüche erzeugen muss und mit der Meiose fortfahren kann.“
Die nächste Herausforderung besteht darin festzustellen, ob derselbe Mechanismus auch bei Säugetieren gilt. Sollte sich dies bestätigen, könnte er wichtige Hinweise auf die Fruchtbarkeit und Genomstabilität bei verschiedenen Arten sowie neue Forschungsansätze für Fruchtbarkeitsstörungen oder Chromosomenerkrankungen liefern.
Quelle:
Online zusammengestellt