Forscher unter der Leitung der Universität Osaka verwendeten kryogene Elektronenmikroskopie, um die atomare Struktur der zentromeren Region des Chromosoms zu analysieren, die für die Zellteilung unerlässlich ist. Ein Protein namens CENP-A markiert das Zentromer; Die Forscher zeigten, dass CENP-A während der Interphase von einem Protein namens KNL2 gebunden wird, um die Position des Zentromers aufrechtzuerhalten. Während der Mitose wird KNL2 durch CENP-C ersetzt, was die korrekte Bildung des Kinetochorkomplexes für die Zellteilung ermöglicht.
Das genetische Material in Zellen ist in Strukturen organisiert, die Chromosomen genannt werden. Das Zentromer ist für die korrekte Teilung der Chromosomen über die Wechselwirkung mit den Mikrotubuli der Spindel unerlässlich, wenn sich Zellen teilen und wachsen. Nun hat eine Studie von Forschern der Universität Osaka die Struktur der Zentromerregion in Hühnerzellen mithilfe einer Technik aufgeklärt, die als Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) bekannt ist.
Kryo-EM friert Proben schnell ein, um sie zu konservieren und zu stabilisieren, und bildet sie dann mithilfe von Kollisionen mit Elektronen ab, um ihre Struktur aufzudecken. In der Zentromerregion bildet sich ein Komplex von Proteinen, der als „Kinetochor“ bezeichnet wird, und dies ist für die korrekte Zellteilung unerlässlich. Mittels Kryo-EM-Analyse konnten die Forscher eine strukturelle Veränderung des Kinetochors auf atomarer Ebene aufklären.
Wenn DNA zu Chromosomen kondensiert wird, wird sie um einen Kern gewickelt, der aus Proteinen namens Histonen besteht, um eine Struktur zu bilden, die als Nukleosom bekannt ist. Die Nukleosomen in der zentromerischen Region enthalten eine Variante des Histonproteins namens CENP-A, das die Position des Zentromers angibt. Die Mechanismen, mit denen CENP-A an den Zentromeren abgelagert wird, um deren Ort korrekt zu bestimmen, waren bisher jedoch unbekannt.
Das Forschungsteam zeigte, dass während der Mitose ein Protein namens CENP-C an CENP-A bindet und als Gerüst für andere Kinetochor-Proteine fungiert. Während der Interphase (der Zeit, in der sich die Zelle nicht teilt) bindet jedoch stattdessen ein anderes Protein namens KNL2 an Zentromere. „KNL2 enthält ein CENP-C-ähnliches Motiv und ist ein Bestandteil des Mis18-Komplexes, ein Lizenzierungsfaktor für neue CENP-A-Ablagerungen“, erklären die Hauptautoren der Studie Honghui Jiang und Mariko Ariyoshi.
Das Team enthüllte ferner, dass diese Wechselwirkung zwischen KNL2 und dem Zentromer für die neue Ablagerung von CENP-A während der Interphase erforderlich ist, was wiederum dazu beiträgt, die korrekte Position des Zentromers aufrechtzuerhalten.
„Wir haben auch gezeigt, dass CENP-C während der Mitose phosphoryliert wird und phosphoryliertes CENP-C KNL2 aus dem KNL2-CENP-A-Komplex ausschließt“, erklärt Seniorautor Tatsuo Fukagawa. Dies deutet darauf hin, dass KNL2 über die Interphase an CENP-A bindet und die Position des Zentromers beibehält, bis ein Phosphatmolekül an CENP-C gebunden wird, wenn die Zellen die Mitose erreichen. Dann bindet CENP-C bevorzugt an CENP-A, was die Bildung des Kinetochors für die Zellteilung ermöglicht.
Diese neuen Einblicke in die Struktur der Zentromerregion werden sich als unschätzbar wertvoll erweisen, um das Wissen über Zellteilung und Wachstum zu erweitern. Proteine, die an der Zellteilung und dem Kinetochor beteiligt sind, sind Angriffspunkte für Krebsmedikamente; Daher wird diese Arbeit auch zum Design neuartiger Medikamente für Krankheiten wie Krebs beitragen.
Die Forschung ist veröffentlicht in Das EMBO-Journal.
Mehr Informationen:
Honghui Jiang et al, Die Kryo-EM-Struktur des CENP-A-Nukleosoms im Komplex mit ggKNL2, Das EMBO-Journal (2023). DOI: 10.15252/embj.2022111965