Nematodenproteine ​​geben Aufschluss über Unfruchtbarkeit

In einem neue Studie veröffentlicht in der Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenBiologen der University of Utah (U) haben eine Methode entwickelt, um die komplizierten Wechselwirkungen des synaptonemalen Komplexes im Nematoden C. elegans zu beleuchten.

Die Autoren identifizierten ein Trio von Proteinsegmenten, die chromosomale Interaktionen steuern, und lokalisierten den Ort, an dem sie miteinander interagieren. Ihre neuartige Methode nutzt eine als genetisches Suppressor-Screening bekannte Technik, die als Blaupause für die Erforschung großer Zellverbände dienen kann, die einer herkömmlichen Strukturanalyse widerstehen.

Wir haben zwei Kopien jedes Chromosoms in jeder Zelle unseres Körpers, außer in unseren Fortpflanzungszellen. Spermien und Eizellen enthalten eine einzelne Kopie jedes Chromosoms mit einer einzigartigen Mischung von Genen unserer Eltern, ein evolutionärer Trick, um unseren Nachkommen genetische Variabilität zu verleihen. Spermium und Eizelle entstehen während der Meiose, dem Prozess, bei dem Zellen mit zwei Chromosomenkopien ihre Chromosomenzahl auf eins reduzieren. Damit die Meiose funktioniert, müssen die beiden Chromosomen perfekt ausgerichtet sein und die richtige Menge an genetischen Informationen austauschen. Jede Abweichung gefährdet die Fruchtbarkeit.

Betreten Sie den Synaptonemal-Komplex (SC), eine reißverschlussartige Proteinstruktur, die die beiden Elternchromosomen Ende an Ende aneinanderreiht und verankert, um einen erfolgreichen genetischen Austausch zu ermöglichen. Das Versäumnis, diesen Austausch zu regulieren, ist eine der Hauptursachen für altersbedingte Unfruchtbarkeit beim Menschen und könnte die Fruchtbarkeit im gesamten Lebensbaum beeinträchtigen.

Menschen, Pilze, Pflanzen, Würmer und alles, was sich sexuell vermehrt, nutzen das SC, um Fortpflanzungszellen, sogenannte Gameten, zu bilden. Trotz seiner Bedeutung verstehen wir nicht, wie Proteine ​​innerhalb des SC chromosomale Interaktionen regulieren, da dieser mehrstufige Prozess in inneren Organen abläuft und in einem Labor nicht nachgebildet werden konnte.

„Dies ist eine Möglichkeit, Systeme in Zellen zu erfassen, die zu locker sind, um Methoden zu verwenden, die auf Kristallisation basieren“, sagte Ofer Rog, außerordentlicher Professor für Biologie an der U und leitender Autor der Studie. „Viele Wechselwirkungen in Zellen sind lose miteinander verbunden. Das Problem ist, dass man sie nicht unter einem Elektronenmikroskop betrachten kann, weil nichts stabil genug ist – alles ist ständig in Bewegung. Unser Ansatz ermöglicht es Ihnen, sogar die Wechselwirkungen zu untersuchen, die vorhanden sind.“ relativ schwach oder vorübergehend.“

Die Vögel und die Bienen und die Nematoden

Werfen wir einen Blick auf die Meiose. Chromosomen sind fadenförmige Strukturen aus DNA, die bei der Zellteilung und von Generation zu Generation genetische Informationen übertragen. Normale Zellen haben eine bestimmte Anzahl von Chromosomen; Menschen haben 46 und C. elegans hat 12. Chromosomen kommen paarweise vor, sogenannte homologe Chromosomen, die die Gene tragen, die wir von jedem unserer Eltern geerbt haben – eines von unserer Mutter, eines von unserem Vater.

Wenn die Meiose beginnt, ordnen sich homologe Chromosomen in länglichen Strukturen an, die entlang eines Rückgrats, der sogenannten Achse, organisiert sind. Die Achsen homologer Paare sind der Länge nach zueinander ausgerichtet, während sich gleichzeitig zwischen den parallelen Achsen der synaptonemale Komplex (SC) bildet. Die homologen Paare haben übereinstimmende Gene, die in der gleichen Reihenfolge angeordnet sind, mit kleinen Variationen innerhalb der Gene – das sind die Variationen, die jedes Individuum einzigartig machen.

„Man kann es sich wie einen Reißverschluss vorstellen“, erklärte Rog. „Die Achsen der Chromosomen sind wie die beiden Seiten Ihres Hemdes. Der synaptonemale Komplex ist so etwas wie die Zähne der Reißverschlüsse, die ineinander einrasten und die beiden Seiten des Hemdes ziehen und richtig ausrichten können.“

Wissenschaftler wussten zuvor, dass sich der SC von C. elegans zwischen Homologen bildet, aber die U-Biologen sind die ersten, die die genaue Position bestimmen konnten, an der der SC mit sich selbst interagiert, um den genetischen Austausch zu erleichtern.

„Wenn man Informationen zwischen den Chromosomen austauscht, möchte man sicherstellen, dass man am Ende immer noch zwei vollständige Chromosomen hat“, sagte Rog. „Die Zelle sorgt dafür, dass die beiden Chromosomen perfekt ausgerichtet sind. Wenn Sie also Segmente zwischen ihnen austauschen, gehen dabei keine Informationen verloren.“

So analysieren Sie lockere Strukturen

Die Forscher züchteten 50.000 Nematoden, die im SC temperaturempfindliche Defekte aufwiesen. Bei hohen Temperaturen waren die Würmer nicht in der Lage, den SC-Proteinreißverschluss zu bilden, der zum Zusammenfügen der Chromosomen erforderlich ist. Ohne den Reißverschluss fand der Genaustausch während der Meiose entweder überhaupt nicht oder nicht in der richtigen Anzahl statt. Lisa Kursel, Postdoktorandin und Hauptautorin der Studie, leitete die Experimente.

„Wir haben die Würmer bei der zulässigen kühleren Temperatur gezüchtet, sie dann einer Chemikalie ausgesetzt, die Millionen von Mutationen entlang ihrer Chromosomen verursachte, und beobachteten, ob sich einer der mutierten Würmer bei der wärmeren Temperatur vermehren konnte“, sagte Kursel. Die chemisch induzierten Mutationen, die die Unfruchtbarkeit des Fadenwurms korrigierten, werden als Suppressormutationen bezeichnet. „Dann wüssten wir, ob die Suppressormutationen ihre Fruchtbarkeit wiederherstellen.“

Um die Tiere mit Mutationen zu identifizieren, die sie wieder fruchtbar machten, legten die Forscher die Nematoden auf Agarplatten, die mit leckeren Bakterien gefüllt waren. Die Agarplatten mit fruchtbaren Nematoden waren bald leer, da ihre Nachkommen das Futter fraßen. Die sterilen Würmer auf Agarplatten starben ab, bevor sie ihre Platten reinigen konnten, sodass die Bakterien gedeihen konnten.

Sobald das Team fruchtbare Nematoden hatte, konnte es testen, ob die Mutation den Protein-Reißverschluss „reparierte“. Anschließend untersuchten sie jedes einzelne Basenpaar der DNA – 100 Millionen Basenpaare – und identifizierten, welche Mutationen die Fortpflanzungsfähigkeit der Würmer wiederherstellten. Sie fanden heraus, dass alle hilfreichen Mutationen in kurzen Abschnitten der drei Proteine ​​SYP-1, SYP-3 und SYP-4 auftraten. Darüber hinaus trugen die Mutationen deutliche Interaktionssignaturen. Während beispielsweise die ursprünglichen Mutationen die elektrische Ladung von positiv in negativ änderten, kehrten die hilfreichen Mutationen die Ladung zurück.

„Dies war ein starker Hinweis darauf, dass SYP-1, SYP-3 und SYP-4 wie Magnete miteinander interagieren und positive und negative Regionen voneinander angezogen werden“, sagte Rog. Solche „klebrigen“ Wechselwirkungen könnten auch dazu beitragen, die Chromosomen zusammenzuhalten.

Jesus Aguayo Martinez, Biologiestudent und Co-Autor der Studie, untersuchte das Verhalten der Suppressormutation in Nematoden ohne die ursprüngliche SC-störende Mutation.

„Wir gingen davon aus, dass die Nematoden mit der Suppressor-Mutation allein auch einen Fruchtbarkeitsdefekt haben würden, da die ursprüngliche Mutation allein einen Fruchtbarkeitsdefekt hervorrief. Das war nicht der Fall“, sagte Aguayo Martinez. „Überraschenderweise produzierten normale Würmer und Würmer mit nur den Suppressormutationen eine ähnliche Anzahl an Nachkommen.“

Nächste Schritte

Die Aufklärung der Rolle des SC bei der Meiose könnte dazu beitragen, die Fruchtbarkeit beim Menschen besser zu verstehen. Der SC spielt bei allen Eukaryoten eine ähnliche Rolle, von Nematoden über Pilze und Pflanzen bis hin zum Menschen. Vorherige Forschung vom Rog Lab an der University of Utah zeigten, dass die Struktur selbst gleich aussieht und ähnlich wirkt, indem sie Elternchromosomen einbringt, um den Austausch zu erleichtern.

Die tatsächlichen Sequenzen der Proteinbestandteile unterscheiden sich jedoch zwischen den Organismen. Ein solches Muster ist ungewöhnlich: Die meisten Zellstrukturen, die wesentliche Grundfunktionen wie Zellteilung, Genomvervielfältigung oder Stoffwechsel übernehmen, sind hoch konserviert und könnten tatsächlich zwischen verschiedenen Organismen ausgetauscht werden.

„Eine Frage, über die wir viel nachdenken, ist: ‚Was ist das Besondere am SC? Warum kann es das Gleiche tun und gleich aussehen, besteht aber aus unterschiedlichen Bausteinen?‘“, erklärte Rog.

Kursel, Aguayo Martinez, Rog und andere Mitglieder des Labors führen weitere Analysen zur Evolution des SC über verschiedene Arten hinweg und zu anderen Zellstrukturen durch, die der allgemeinen Weisheit der Evolution widersprechen.