Botanisches Institut

Vererbung

Homologe Rekombination in der Meiose

Die meiotische Teilung, ein komplexer Vorgang

Pflanzen und alle anderen Organismen, die sexuelle Fortpflanzung betreiben müssen extra für die Herstellung ihrer Gameten eine sogenannte "Reifeteilung", die Meiose durchführen. Obwohl die Meiose seit über 100 Jahren bekannt ist und in der Hefe, Säugetieren und den Pflanzen seit langem intensiv erforscht wird, sind viele der Mechanismen und Auswirkungen der meiotischen Vorgänge noch ungeklärt. Die Meiose besteht aus zwei direkt aufeinander folgenden Teilungen des genetischen Materials. Dabei kommt es zu Beginn dieser Teilungen erst einmal zur Verdichtung der Chromosomen bis Sie schließlich sogar im Mikroskop sichtbar sind, was normalerweise nicht der Fall ist. Hierbei muß gewährleistet sein, daß sich die jeweils zusammengehörigen Elternchromosomen paarweise anordnen, damit sie bei den folgenden zwei Zellteilungen korrekt auf die vier Gameten verteilt werden können. Geschieht dies nicht gibt es meist lebensunfähige Keimzellen und die Organismen sind steril. Weiterhin muß bei der Verdichtung der DNA um einen vieltausendfachen Faktor, sichergestellt sein, daß die DNA intakt bleibt oder gegebenenfalls repariert wird. Diese Vorgänge sind hochkomplex reguliert und eine Vielzahl von Proteinen muß in bestimmter Abfolge aktiv sein, damit die Teilungen erfolgreich stattfinden. Dementsprechend äußern sich Mutationen in Genen die für die Meiose benötigt werden meistens in vollständiger oder zumindest teilweiser Sterilität der Pflanzen. Die Meiose als Bedingung für die geschlechtliche Fortpflanzung war also bereits vor langer Zeit eine entscheidende Neuerfindung der Natur, die uns zu der heute auf der Erde existierenden Artenvielfalt hingeführt hat.

 

Die Homologe Rekombination wird für die sexuelle Fortpflanzung benötigt

Ein maßgeblicher Schritt für die erfolgreiche Meiose und damit für die Fortpflanzung der meisten Organismen ist die Homologe Rekombination (HR) der DNA. Durch die HR kommt es während der Meiose zur stabilen Anordnung der homologen Chromosomen, da die DNA durch Überkreuzungen von beiden Eltern-Chromosomen korrekt fixiert wird. Diese sogenannten Chiasmata sind zum einen entscheidend für die ordnungsgemäße Verteilung der Chromsomen (wie oben erwähnt), zum anderen aber auch der wichtigste Faktor, durch den neue Erbanlagen kombiniert werden können. Durch die absichtliche Überkreuzung werden Teile des mütterlichen und väterlichen Genoms gemischt und ergeben so neue, bisher nicht existierende genetische Kombinationen, die die Flexibilität des Organismus auf neue Umweltreize erhöhen kann. Hierdurch kommt es zu der großen Vielfalt, die wir in der Natur im Pflanzenreich oder bei den Tieren und Pilzen vorfinden.

Damit sich die zueinander passenden Chromosomen finden und für kurze Zeit stabil verbinden, braucht der Organismus die Homologe Rekombination. Erst durch die HR wird es möglich den sogenannten synaptonemalen Komplex, eine Art klebriger Reißverschluß, der die paarenden Chromosomen verknüpft, zu bilden. Fehlt die HR oder werden die stabilen Überkreuzungen nicht wieder aufgelöst kommt es zu zahlreichen Fehlern während der Chromosomenteilung, die dabei oftmals auch zerreißen, als Fragmente falsch verteilt werden, oder wenn sie nicht paaren, rein zufällig verteilt werden (Abbildung 1).

Abbildung 1: DAPI-Färbung von Arabidopsis Chromosomen während der Pollenmeiose. Oberer Teil: Die normale Meiose der Pollenmutterzelle in einer Wildtyp Pflanze. Unterer Teil: Die gestörte Meiose der Pollenmutterzelle in einer SPO11-Mutante. Im Wildtyp paaren die jeweils 5 homologen Chromosomen von Vater und Mutter mit Hilfe der HR zu 5 Päärchen. In der Mutante findet keine Paarung der homologen Chromosomen statt, da die HR nicht initiert wird, stattdessen liegen 10 ungepaarte Chromosomen vor, diese werden zufällig während der beiden meiotischen Teilungen weitergegeben (z.B. 6 und 4 im dritten Bild der unteren Hälfte). Im Wildtyp entstehen typischerweise Tetraden, in der Mutante meist mehr als 4 Pollenzellen mit falschen DNA-Gehalt.

 

Wie oben erwähnt sind solche Mutanten meistens nicht fähig sich zu vermehren und würden daher relativ schnell aussterben. Wie bei menschlichen Erbkrankheiten ist es aber meistens so, daß solche Mutationen rezessiv sind und erst sichtbar werden, wenn sie auf beiden Elternchromosomen vorliegen.

 

Untersuchung der Meiose durch Meiosemutanten

Da wir in der Arbeitsgruppe an DNA Rekombination und Reparatur forschen, sind die von uns gefundenen Faktoren der meiotischen Rekombination extrem interessant für das grundlegende Verstehen der homologen Rekombination. Für die Charakterisierung und weitere Untersuchung der "Meiose"-Mutanten können wir auf eine Vielzahl von Testsystemen und anderen Nachweismethoden zurückgreifen. Eines dieser Testsysteme ist der direkte Nachweis der Entkoppelung von Genen, die Fluoreszensfarbstoffe kodieren während der Meiose. Werden z.B. die Marker rot und grün durch homologe Rekombination getrennt, dann kann man sie in den Samen einzeln angefärbt erkennen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Fluoreszierende Arabidopsis Samen. Oberer Teil: Der obere Samen ist nur grün gefärbt, daher ist der rote Marker entkoppelt worden, der untere Samen ist sowohl grün als auch rot gefärbt.

 

Besonders hilfreich hierbei ist die Fluroreszensmikroskopie, bei der direkt beobachtet werden kann in welchem Schritt der Meiose die Mutanten gestört sind und wie man diesen Defekt eventuell beheben kann. Man kann dabei das genetische Material mit verschiedenen Farbstoffen anfärben und so für das menschliche Auge bzw. den Computer sichtbar machen und ansonsten schwer sichtbare Vorgänge direkt am Mikroskop beobachten. Durch die Vielzahl an verschiedenen Mutanten, die in der Meiose gestört sind, können wir mittlerweile viele Schritte der Meiose erklären und diesen hochkomplexen Vorgang besser beschreiben.