Nachrichten | Verborgene Geheimnisse der DNA: Forschende entschlüsseln die molekularen Ursachen von Unfruchtbarkeit und Fehlgeburten
Die Stabilität der menschlichen Fortpflanzung wird bereits vor der Geburt durch einen molekularen „Tanz“ geprägt. Forschende der University of California, Davis, haben aufgedeckt, wie ein wichtiger Mechanismus tief in der DNA die Integrität der Chromosomen schützt, während sich Eizellen und Spermien bilden. Die Erkenntnis eröffnet eine neue wissenschaftliche Perspektive auf Unfruchtbarkeit, Fehlgeburten und reproduktive Erkrankungen wie das Down-Syndrom und könnte künftige Kinderwunschbehandlungen unterstützen.
Die von Neil Hunter, Professor am Department of Microbiology and Molecular Genetics, geleitete Studie wurde am 24 September in Nature veröffentlicht. Erstmals wird detailliert dargestellt, wie Chromosomen während der Entwicklung von Eizellen und Spermien durch Crossing-over verbunden bleiben und dadurch Fehler bei der Verteilung des Erbguts verhindert werden.
Ein „Sicherheitsverschluss“ der Chromosomen für die korrekte Weitergabe genetischer Informationen
Professor Hunter erklärte: „Wenn dieser Prozess fehlschlägt, können Eizellen oder Spermien die falsche Anzahl an Chromosomen tragen, was letztlich zu Unfruchtbarkeit, Fehlgeburten oder genetischen Erkrankungen wie dem Down-Syndrom führen kann.“
Menschliche Zellen enthalten 46 Chromosomen, die in 23 homologen Paaren angeordnet sind. Bei der Bildung von Eizellen oder Spermien müssen sich die gepaarten Chromosomen ausrichten und an bestimmten Stellen Brüche und Rekombinationen durchlaufen, um Crossing-over zu erzeugen. Dadurch erhält jedes Kind eine einzigartige Genkombination beider Eltern, während die Chromosomenpaare stabil bleiben.
Die Aufrechterhaltung dieser Verbindungen ist bei Frauen besonders komplex. Eizellen bilden sich während der fetalen Entwicklung und verharren nach Abschluss des Crossing-over in einem Ruhezustand; erst Jahrzehnte später nehmen sie beim Eisprung ihre Aktivität wieder auf. Wie die Crossing-over-Verbindungen so lange stabil bleiben, war in der Reproduktionsbiologie bislang ungeklärt.
Hefe liefert Hinweise auf die menschliche Biologie
Für die Untersuchung setzte Hunters Team Hefe ein, ein häufig verwendetes Modell in der Molekulargenetik, um die Rekombination der Chromosomen auf molekularer Ebene zu verfolgen. Mit „Echtzeit-Genetik“ veranlassten die Forschenden unter kontrollierten Bedingungen den Abbau ausgewählter Proteine und beobachteten, ob sich Crossing-over-Strukturen korrekt bildeten.
Die Ergebnisse zeigten, dass ein Netzwerk wichtiger Proteine, insbesondere der Cohesin-Komplex, verhindert, dass der STR-Komplex – beim Menschen Bloom-Komplex genannt – DNA-Crossing-over-Strukturen vorzeitig entwindet. Dieser Schutz ist entscheidend für die Stabilisierung der doppelten Holliday-Junktion.
„Diese Proteine wirken wie Wächter, die die Chromosomenverbindungen davor schützen, falsch auseinandergebaut zu werden“, sagte Hunter. „Das ist ein entscheidender Schritt, um Fehler bei der Chromosomensegregation zu verhindern.“
Von der Grundlagenforschung zur Reproduktionsmedizin
Obwohl die Studie mit Hefe durchgeführt wurde, betonte Hunter, dass die relevanten Chromosomenstrukturen und -mechanismen beim Menschen hochgradig konserviert sind. Diese Grundlagenforschung könnte daher direkt zum Verständnis menschlicher Fortpflanzungsstörungen sowie zur Verbesserung der Fruchtbarkeitsdiagnostik und -behandlung beitragen.
Die Studie wurde gemeinsam von dem Postdoktoranden Shangming Tang, heute Assistant Professor für Biochemie und Molekulargenetik an der University of Virginia, geleitet und durch die National Institutes of Health (NIH), das Howard Hughes Medical Institute (HHMI), das UC Davis Comprehensive Cancer Center und die American Cancer Society finanziert.
Nachrichten | Verborgene Geheimnisse der DNA: Forschende entschlüsseln die molekularen Ursachen von Unfruchtbarkeit und Fehlgeburten
Nachrichten | Verborgene Geheimnisse der DNA: Forschende entschlüsseln die molekularen Ursachen von Unfruchtbarkeit und Fehlgeburten
Die Stabilität der menschlichen Fortpflanzung wird bereits vor der Geburt durch einen molekularen „Tanz“ geprägt. Forschende der University of California, Davis, haben aufgedeckt, wie ein wichtiger Mechanismus tief in der DNA die Integrität der Chromosomen schützt, während sich Eizellen und Spermien bilden. Die Erkenntnis eröffnet eine neue wissenschaftliche Perspektive auf Unfruchtbarkeit, Fehlgeburten und reproduktive Erkrankungen wie das Down-Syndrom und könnte künftige Kinderwunschbehandlungen unterstützen.
Die von Neil Hunter, Professor am Department of Microbiology and Molecular Genetics, geleitete Studie wurde am 24 September in Nature veröffentlicht. Erstmals wird detailliert dargestellt, wie Chromosomen während der Entwicklung von Eizellen und Spermien durch Crossing-over verbunden bleiben und dadurch Fehler bei der Verteilung des Erbguts verhindert werden.
Ein „Sicherheitsverschluss“ der Chromosomen für die korrekte Weitergabe genetischer Informationen
Professor Hunter erklärte: „Wenn dieser Prozess fehlschlägt, können Eizellen oder Spermien die falsche Anzahl an Chromosomen tragen, was letztlich zu Unfruchtbarkeit, Fehlgeburten oder genetischen Erkrankungen wie dem Down-Syndrom führen kann.“
Menschliche Zellen enthalten 46 Chromosomen, die in 23 homologen Paaren angeordnet sind. Bei der Bildung von Eizellen oder Spermien müssen sich die gepaarten Chromosomen ausrichten und an bestimmten Stellen Brüche und Rekombinationen durchlaufen, um Crossing-over zu erzeugen. Dadurch erhält jedes Kind eine einzigartige Genkombination beider Eltern, während die Chromosomenpaare stabil bleiben.
Die Aufrechterhaltung dieser Verbindungen ist bei Frauen besonders komplex. Eizellen bilden sich während der fetalen Entwicklung und verharren nach Abschluss des Crossing-over in einem Ruhezustand; erst Jahrzehnte später nehmen sie beim Eisprung ihre Aktivität wieder auf. Wie die Crossing-over-Verbindungen so lange stabil bleiben, war in der Reproduktionsbiologie bislang ungeklärt.
Hefe liefert Hinweise auf die menschliche Biologie
Für die Untersuchung setzte Hunters Team Hefe ein, ein häufig verwendetes Modell in der Molekulargenetik, um die Rekombination der Chromosomen auf molekularer Ebene zu verfolgen. Mit „Echtzeit-Genetik“ veranlassten die Forschenden unter kontrollierten Bedingungen den Abbau ausgewählter Proteine und beobachteten, ob sich Crossing-over-Strukturen korrekt bildeten.
Die Ergebnisse zeigten, dass ein Netzwerk wichtiger Proteine, insbesondere der Cohesin-Komplex, verhindert, dass der STR-Komplex – beim Menschen Bloom-Komplex genannt – DNA-Crossing-over-Strukturen vorzeitig entwindet. Dieser Schutz ist entscheidend für die Stabilisierung der doppelten Holliday-Junktion.
„Diese Proteine wirken wie Wächter, die die Chromosomenverbindungen davor schützen, falsch auseinandergebaut zu werden“, sagte Hunter. „Das ist ein entscheidender Schritt, um Fehler bei der Chromosomensegregation zu verhindern.“
Von der Grundlagenforschung zur Reproduktionsmedizin
Obwohl die Studie mit Hefe durchgeführt wurde, betonte Hunter, dass die relevanten Chromosomenstrukturen und -mechanismen beim Menschen hochgradig konserviert sind. Diese Grundlagenforschung könnte daher direkt zum Verständnis menschlicher Fortpflanzungsstörungen sowie zur Verbesserung der Fruchtbarkeitsdiagnostik und -behandlung beitragen.
Die Studie wurde gemeinsam von dem Postdoktoranden Shangming Tang, heute Assistant Professor für Biochemie und Molekulargenetik an der University of Virginia, geleitet und durch die National Institutes of Health (NIH), das Howard Hughes Medical Institute (HHMI), das UC Davis Comprehensive Cancer Center und die American Cancer Society finanziert.
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