Wissenschaftler entdecken die Dynamik eines „zusätzlichen“ Chromosoms in Fruchtfliegen

Die meisten Chromosomen gibt es schon seit Millionen von Jahren. Jetzt haben Forscher des Stowers Institute for Medical Research die Dynamik eines neuen, sehr jungen Chromosoms in Fruchtfliegen aufgedeckt, das Chromosomen ähnelt, die beim Menschen entstehen, und mit behandlungsresistentem Krebs und Unfruchtbarkeit in Verbindung gebracht wird. Die Ergebnisse könnten eines Tages zur Entwicklung gezielterer Therapien zur Behandlung dieser Erkrankungen führen.

Eine neue Studie veröffentlicht in Aktuelle Biologie am 4. Mai 2023, zeigt, wie dieses kleine Chromosom, das vor weniger als 20 Jahren entstanden ist, in einem einzigen, im Labor gezüchteten Stamm der Fruchtfliege, Drosophila melanogaster, überdauert hat und mit überzähligen (zusätzlichen) Chromosomen beim Menschen korreliert ist.

„Ich fühle mich wie ein Astronom, der die Geburt eines Sterns beobachtet“, sagte Stowers-Ermittler Scott Hawley, Ph.D. „Wir können die Geburt eines Chromosoms beobachten und beginnen, sowohl seine Fähigkeiten als auch seine Grenzen zu verstehen.“

Frühere Forschung vom Hawley Lab hatten diese kleinen, zusätzlichen Chromosomen zuerst identifiziert, aber über ihre Form, Funktion oder Dynamik während der Zellteilung war wenig bekannt. Stacey Hanlon, Ph.D., ehemalige Postdoktorandin von Hawley Lab, erkannte, dass diese Entdeckung ein ideales System sein könnte, um zu untersuchen, wie neue Chromosomen entstehen, was zu wirksameren Krebsbehandlungen und Methoden zur Überwindung von Unfruchtbarkeit führen könnte.

Überzählige Chromosomen beim Menschen werden in Krebszellen gefunden und stören häufig Medikamente, die auf Tumore abzielen, wodurch diese Krebsarten, wie das Osteosarkom, schwierig zu behandeln sind. Darüber hinaus kann das Vorhandensein von überzähligen Chromosomen bei Männern die normale Chromosomentrennung während der Spermienproduktion stören, was zu Unfruchtbarkeit führen kann.

„In der Lage zu sein zu verstehen, wie überzählige Chromosomen entstehen und was ihre Strukturen sind, kann möglicherweise ihre Schwachstellen beleuchten“, sagte Hawley. „Dies könnte die Entwicklung potenzieller therapeutischer Ziele ermöglichen.“

Diese genetischen Elemente, die als B-Chromosomen bezeichnet werden – im Gegensatz zum standardmäßigen „A“-Satz essentieller Chromosomen –, tauchten auf natürliche Weise in einem einzigen Laborbestand von Fruchtfliegen in Hawleys Labor auf. Jetzt erleben die Forscher die Entstehung und Evolution von Chromosomen in weniger als zwei Jahrzehnten.

Wie entsteht so etwas wie dieses neue Chromosom scheinbar aus dem Nichts? Noch wichtiger, da diese neugeborenen B-Chromosomen keine bekannten essentiellen Gene für die Funktion der Fruchtfliege besitzen, wie bleiben sie in einem Genom bestehen? Kurz gesagt, durch Betrug.

„Ich nenne diese B-Chromosomen gerne genetische Abtrünnige“, sagte Hanlon. „Sie halten sich nicht an die Regeln.“

Hanlon entdeckte, dass die B-Chromosomen der Fruchtfliege durch einen Mechanismus namens „meiotischer Antrieb“ aufrechterhalten werden, der es ihnen ermöglicht, gegen die üblichen Vererbungsregeln zu rebellieren. Die B-Chromosomen dringen während der Eibildung in die nächste Generation ein, um ihre eigene Persistenz in mehr als der Hälfte der nächsten Generation sicherzustellen.

„Ihr genetischer Hintergrund – das heißt die einzigartigen Merkmale in der genetischen Ausstattung der B-Chromosom-Fliegen – unterstützt ihre bevorzugte Weitergabe an die nächste Generation“, sagte Hanlon. „Das verschafft diesen Jungs evolutionäre Zeit, um ein neues Chromosom zu werden, sei es, dass sie ein essentielles Gen aufnehmen oder etwas erwerben, das es ihnen ermöglicht, besser zu schummeln.“

Wichtig ist, dass der meiotische Antrieb eine mächtige Kraft ist, die die Entwicklung von Genen beeinflussen kann. Diese Erkenntnisse, die aus dem Hawley Lab stammen und von Hanlon, jetzt in ihrem eigenen Labor an der University of Connecticut, aktiv untersucht werden, können verwendet werden, um die Mechanismen zu verstehen, die dahinter stehen, was die Meiose fair hält und sicherstellt, dass Betrüger, wie die B-Chromosomen, nicht gedeihen.

Darüber hinaus untersucht Hanlon, wie spezifische Mutationen zu Chromosomenbrüchen und zur Bildung neuer Chromosomen führen können, und enthüllt den Mechanismus, wie Überzählige entstehen und zu erforderlichen Bestandteilen eines Genoms werden.

„Wir suchen immer nach Achillesfersen, um solche Dinge loszuwerden“, sagte Hawley über problematische Überzählige beim Menschen. „Wenn wir identifizieren können, was ihre Gründung gefördert hat, können wir möglicherweise Personen identifizieren, die sie eher bilden, und bessere Maßnahmen ergreifen, um nach ihnen zu suchen und mit ihnen umzugehen.“