Das Gen KINETOCHORE NULL2 (KNL2) spielt eine wichtige Rolle beim Einbau des Histons CenH3 in das Zentromer von Chromosomen und ist somit wichtig für die Zellteilung. Dasselbe Gen ist auch wichtig für die Produktion von Doppelhaploiden, mit denen die Erzeugung homozygoter Linien für die Pflanzenzüchtung ganz erheblich beschleunigt werden kann. Ein internationales Forscherteam unter Leitung des IPK Leibniz-Instituts hat die Evolutionsgeschichte des Gens rekonstruiert und erstmals klassifiziert. Die Ergebnisse wurden jetzt in veröffentlicht Molekularbiologie und Evolution.
In lebenden Organismen teilen und vermehren sich Zellen auf zwei Arten, Mitose und Meiose. Mitose führt zu zwei identischen Tochterzellen, während Meiose zu vier Geschlechtszellen führt.
Während der mitotischen und meiotischen Zellteilung binden die Spindelfasern Chromosomen über eine spezielle Region namens Centromer, um Schwesterchromatiden auseinander zu ziehen. Das Zentromer besteht aus zentromerischer DNA und einem Multiproteinkomplex, dem Kinetochor.
Das Kinetochor sorgt für die korrekte Trennung (Verteilung) der Chromosomen zwischen den beiden Tochterzellen und erhält somit die Genomstabilität in eukaryontischen Organismen.
Bei Pflanzen führen Defekte in der Zentromerfunktion (Kinetochor) häufig zur Bildung von Zellen mit einer abnormalen Anzahl von Chromosomen (Poly- und/oder Aneuploidie), was zu einer abnormalen Pflanzenentwicklung führt. Bei Tieren und Menschen führen Defekte in der Funktion des Zentromers (Kinetochor) entweder zu Apoptose und Zelltod oder zur Entstehung und Progression von Krebs sowie zu verschiedenen genetischen Störungen.
Das Histon CenH3 ist essentiell für die Bildung und Funktion des Kinetochors. Es wird in einem mehrstufigen Prozess in das Zentromer eingebaut, der neben mehreren anderen Faktoren weitgehend von einem bestimmten Protein namens KINETOCHORE NULL2 (KNL2) bestimmt wird.
Durch Manipulation von KNL2 konnten bereits Doppelhaploide in der Modellpflanze Arabidopsis thaliana hergestellt werden. Dies ist sehr wichtig, da es möglich ist, homozygote Linien in nur einer Generation zu erzeugen, anstatt in fünf oder mehr, wie es in der konventionellen Züchtung üblich ist.
Um Einblicke in die Herkunft und Diversifizierung des KNL2-Gens zu erhalten, rekonstruierte ein internationales Wissenschaftlerteam unter Leitung des IPK Leibniz-Instituts dessen Evolutionsgeschichte im Pflanzenreich.
„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das KNL2-Gen in Pflanzen drei unabhängige alte Duplikationen in Farnen, Gräsern und Eudikotyledonen durchlaufen hat“, sagte Dr. Inna Lermontova, Leiterin der Forschungsgruppe Kinetochore-Biologie am IPK. „Außerdem konnten wir zeigen, dass bisher nicht klassifizierte KNL2-Gene in zwei Gruppen eingeteilt werden können: αKNL2 und βKNL2 bei Eudikotyledonen sowie γKNL2 und δKNL2 bei Gräsern.“
„Wir haben auch bestätigt, dass die kürzlich identifizierte βKNL2-Variante von Arabidopsis eine Rolle bei der zentromerischen Lokalisierung von CenH3 und bei der Kontrolle der Zellteilung spielt, wie es für die αKNL2-Variante gezeigt wurde. Wir betrachten daher ein βKNL2 als neuen Kandidaten für die Verwendung bei der haploiden Induktion Ansätze.“
Insgesamt liefert die Studie ein neues Verständnis der evolutionären Diversifikation des KNL2-Gens und legt nahe, dass pflanzenspezifische duplizierte KNL2-Gene einen signifikanten Einfluss auf das Zentromer und Kinetochor haben und somit auch an der Aufrechterhaltung der Genomstabilität beteiligt sind.
Sheng Zuo et al, Recurrent Plant-Specific Duplications of KNL2 and its konserved Function as a Kinetochore Assembly Factor, Molekularbiologie und Evolution (2022). DOI: 10.1093/molbev/msac123
Zur Verfügung gestellt vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung