Entschlüsselung der molekularen Grundlagen der Dmc1-Filamentanordnung bei der homologen Rekombination

Die homologe Rekombination (HR) ist ein wichtiger Prozess, der mehrere entscheidende Rollen während der Meiose spielt, einer Art Zellzyklus, der der sexuellen Fortpflanzung gewidmet ist. Bei der HR tauschen homologe DNA-Moleküle ihr Erbgut aus. Während der meiotischen Prophase wird die DNA im gesamten Genom abgeschnitten, wodurch zahlreiche DNA-Doppelstrangbrüche entstehen. Solche DNA-Brüche locken homologe Rekombinationsenzyme an, die die Paarung homologer Chromosomen fördern.

Dmc1 ist eine solche Meiose-spezifische Rekombinase in Eukaryoten (Organismen mit einem klar definierten Kern), die zusammen mit der allgemeinen Rekombinase Rad51 an die ssDNA-Regionen bindet, die am Ende gebrochener DNA gebildet werden, und den HR-Prozess erleichtert. Sowohl Dmc1 als auch Rad51 binden bevorzugt ssDNA und bilden eine helikale Filamentstruktur, die als präsynaptisches Filament bezeichnet wird.

Swi5-Sfr1 und Hop2-Mnd1 sind zwei zusätzliche Faktoren, die für die effiziente Funktion von entscheidender Bedeutung sind und beim Zusammenbau der Dmc1-Filamente auf der ssDNA helfen. Während frühere Studien gezeigt haben, dass Swi5-Sfr1 und Hop2-Mnd1 wichtige Beiträge zum Dmc1-gesteuerten Strangaustausch während der HR leisten, sind die Mechanismen, die ihren molekularen Beiträgen zugrunde liegen, noch unklar.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Assistenzprofessor Hideo Tsubouchi vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, und Professor Hung-Wen Li von der National Taiwan University, Taiwan, beleuchtet nun ihre molekularen Funktionen und enthüllt nun, wie die Proteine ​​Swi5-Sfr1 und Hop2-Mnd1 die Dmc1-Filamentanordnung regulieren.

Mithilfe von Einzelmolekülexperimenten führten sie diese Studie mit Proteinen aus Schizosaccharomyces pombe durch, einer Spalthefeart, die als Modellorganismus dient. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in Nukleinsäureforschung.

Zu diesem Zweck reinigten die Forscher zunächst Dmc1, Hop2-Mnd1 und Swi5-Sfr1 aus S. pombe. Anschließend unterwarfen sie diese Proteine ​​einer speziellen Technik namens Einzelmolekül-Fluoreszenzresonanzenergietransfer, bei der ein Laserstrahl und mit fluoreszierenden Chemikalien markierte DNA-Substrate zum Nachweis von Wechselwirkungen zwischen Dmc1 und DNA verwendet werden. Darüber hinaus führten die Forscher auch Bewegungsexperimente mit angebundenen Partikeln durch (um Veränderungen in der Form und Konfiguration von Polymeren wie DNA zu beobachten), um die Dmc1-Filamentanordnung in Echtzeit zu visualisieren.

Basierend auf diesen Ergebnissen stellten die Forscher fest, dass sowohl Swi5-Sfr1 als auch Hop2-Mnd1 den Aufbau des Dmc1-Filaments auf ssDNA fördern, allerdings auf zwei unterschiedliche Arten. Hop2-Mnd1 bindet an Doppel-/Einzelstrang-DNA-Verbindungen und initiiert die Bindung von Dmc1 an sich selbst. Swi5-Sfr1 bindet an das zusammengesetzte Dmc1-Filament und verhindert die Dissoziation von Dmc1 vom präsynaptischen Filament. Sie beobachteten daher, dass die Kombination dieser beiden Faktoren zu einer effizienten und stabilen Dmc1-Filamentbildung beiträgt.

Zusammenfassend liefern diese Ergebnisse wichtige Einblicke in die Mechanismen, die der Dmc1-Filamentassemblierung und der Funktion seiner akzessorischen Proteine ​​zugrunde liegen. Dies könnte in Zukunft dazu beitragen, unser Verständnis der HR bei der Meiose, einem entscheidenden biologischen Phänomen bei der eukaryotischen Fortpflanzung, zu verbessern.

Obwohl die in dieser Arbeit untersuchten Proteine ​​aus Spalthefe stammen, sind sie in allen Eukaryoten, einschließlich des Menschen, weitgehend konserviert. Angesichts der Tatsache, dass die homologe Rekombination für die ordnungsgemäße Trennung der Chromosomen während der Meiose unerlässlich ist, sind die in dieser Studie erzielten Ergebnisse wahrscheinlich für das Verständnis menschlicher Fortpflanzungssysteme relevant. Sie können Aufschluss über die Ursache von Unfruchtbarkeit und bestimmten genetischen Störungen geben, die durch eine Fehlsegregation der Chromosomen verursacht werden, wie etwa das Down-Syndrom.