Wie Pflanzen genetische Erinnerungen weitergeben

Wenn Organismen ihre Gene an zukünftige Generationen weitergeben, enthalten sie mehr als den in der DNA dargelegten Code. Einige geben auch chemische Marker weiter, die den Zellen Anweisungen zur Verwendung dieses Codes geben. Die Weitergabe dieser Marker an zukünftige Generationen wird als epigenetische Vererbung bezeichnet. Besonders häufig kommt es bei Pflanzen vor. Daher könnten wichtige Erkenntnisse Auswirkungen auf die Landwirtschaft, die Nahrungsmittelversorgung und die Umwelt haben.

Die Professoren und HHMI-Forscher Rob Martienssen und Leemor Joshua-Tor vom Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) haben erforscht, wie Pflanzen die Marker passieren, die Transposons inaktiv halten. Transposons werden auch als springende Gene bezeichnet. Wenn sie eingeschaltet sind, können sie sich bewegen und andere Gene stören. Um sie zum Schweigen zu bringen und das Genom zu schützen, versehen Zellen bestimmte DNA-Stellen mit regulatorischen Markierungen. Dieser Vorgang wird Methylierung genannt. Die Forschung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Zelle.

Martienssen und Joshua-Tor haben nun gezeigt, wie das Protein DDM1 dem Enzym Platz macht, das diese Markierungen auf neuen DNA-Strängen setzt. Pflanzenzellen benötigen DDM1, weil ihre DNA dicht verpackt ist. Um ihre Genome kompakt und geordnet zu halten, wickeln Zellen ihre DNA um Packungsproteine, sogenannte Histone. „Das blockiert aber den Zugang zur DNA für allerlei wichtige Enzyme“, erklärt Martienssen. Bevor es zur Methylierung kommen kann, „müssen die Histone entfernt oder aus dem Weg geschoben werden.“

Zuerst Martienssen und der ehemalige CSHL-Kollege Eric Richards DDM1 entdeckt vor 30 Jahren. Seitdem haben Forscher herausgefunden, dass es DNA entlang seiner Verpackungsproteine ​​gleiten lässt, um Stellen freizulegen, die einer Methylierung bedürfen. Martienssen vergleicht die Bewegung mit einem Jo-Jo, das an einer Schnur entlanggleitet. Die Histone „können sich auf der DNA auf und ab bewegen und dabei jeweils Teile der DNA freilegen, aber nie abfallen“, erklärt er.

Durch genetische und biochemische Experimente konnte Martienssen genau bestimmen, welche Histone DDM1 verdrängt. Joshua-Tor nutzte Kryo-Elektronenmikroskopie, um detaillierte Bilder der Interaktion des Enzyms mit DNA und zugehörigen Packungsproteinen aufzunehmen. Sie konnten beobachten, wie DDM1 bestimmte Histone angreift, um verpackte DNA umzugestalten. „Es stellte sich heraus, dass eine unerwartete Bindung, die DDM1 miteinander verbindet, der ersten Mutation entspricht, die vor all diesen Jahren gefunden wurde“, sagt Joshua-Tor.

Die Experimente zeigten auch, wie die Affinität von DDM1 zu bestimmten Histonen die epigenetische Kontrolle über Generationen hinweg bewahrt. Das Team zeigte, dass ein nur in Pollen vorkommendes Histon gegen DDM1 resistent ist und bei der Zellteilung als Platzhalter fungiert. „Es merkt sich, wo sich das Histon während der Pflanzenentwicklung befand, und behält diese Erinnerung bis in die nächste Generation“, sagt Martienssen.

Pflanzen dürfen hier nicht allein sein. Auch Menschen sind auf DDM1-ähnliche Proteine ​​angewiesen, um die DNA-Methylierung aufrechtzuerhalten. Die neue Entdeckung könnte helfen zu erklären, wie diese Proteine ​​unsere Genome funktionsfähig und intakt halten.