Viele kleine Einheiten mit repetitiver DNA
Überraschender Fund bei Untersuchung holozentrischer Chromosomen
Bei X-förmigen Chromosomen wird das Zentromer als Einschnittstelle bzw. Kreuzungspunkt der Chromosomenarme sichtbar. (Bildquelle: © iStock.com/nobeastsofierce)
Wie Holozentromere aufgebaut sind, ist bisher noch nicht vollständig geklärt, denn es scheint vielfältige Variationen von ihnen zu geben. Wissenschaftler haben nun erstmals weit verstreute Zentromere und repetitive Sequenzen in der holozentrischen Pflanze Rhynchospora pubera entdeckt.
Um keine genetischen Informationen zu verlieren, ist es äußert wichtig, dass die DNA einer Zelle bei jeder Zellteilung zu gleichen Teilen auf die Tochterzellen verteilt wird. Dabei spielt das Zentromer eine entscheidende Rolle. Bei kondensierten, x-förmigen Chromosomen wird das Zentromer als Einschnittstelle bzw. Kreuzungspunkt der Chromosomenarme sichtbar. Das Zentromer bleibt als abgegrenzte, funktionelle Chromatin-Einheit während sämtlicher Phasen des Zellzyklus erhalten.
Während der Mitose bildet das Zentromer die Basis für das sich neu bildende Kinetochor. Am Kinetochor verknüpfen sich die Chromosomen mit den Spindel-Mikrotubuli, um im Anschluss korrekt auf die Tochterzellen aufgeteilt zu werden.
Unterschiedlicher Aufbau in Eukaryoten
Zellzyklus-abhängige Änderungen in der holozentromerischen Chromatin-Organisation von Rhynchospora pubera: Während der Interphase liegen die Holozentromere weit verstreut auseinander. Während der Pro- und Metaphase finden sie entlang der Schwesterchromatiden zusammen.
Bildquelle: © Marques, A. et al., PNAS 2015, DOI: 10.1073/pnas.1512255112
Zentromere in Eukaryoten sind unterschiedlich komplex in ihrer Größe und Struktur. Man unterscheidet hierbei zwischen Punkt-, Holo- und regionalen Zentromeren. Die meisten Eukaryoten wie der Mensch, die Modellpflanze Arabidopsis thaliana, die Fruchtfliege Drosophila melanogaster und die Spalthefe Schizosaccharomyces pombe besitzen regionale Zentromere. Diese erstrecken sich über etwa fünf Megabasen DNA und sind aus langen, sich wiederholenden DNA-Abschnitten aufgebaut. Diese sogenannten repetitiven Sequenzen sind sehr unterschiedlich in ihrer DNA-Sequenz und scheinen zwischen den unterschiedlichen Spezies nicht konserviert zu sein.
Ein Punkt-Zentromer findet man in der Natur beispielsweise bei der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae. Die klar definierte DNA-Einheit umfasst 125 Basenpaare und besteht aus stark konservierten DNA-Abschnitten.
Der Fadenwurm Caenorhabditis elegans hingegen verfügt über ein Holo-Zentromer. Hier fehlt die primäre Einschnürung und die Zentromere sind linear entlang der Chromosomenarme verteilt. Auch bei der Pflanzengattung Lazula findet man Holo-Zentromere.
CenH3 kommt nur in Zentromeren vor
Trotz der unterschiedlichen Merkmale der Zentromere in verschiedenen Organismen haben die allermeisten Zentromere eins gemeinsam: die Chromatinstruktur, die für die Funktion des Zentromers unerlässlich ist. Beim zentromerischem Chromatin ist das Histon H3, um das die DNA gewickelt ist, durch die Variante CenH3 ersetzt. Dieses kommt ausschließlich in Zentromeren vor. CenH3 scheint für das störungsfreie Funktionieren des Zentromers unerlässlich zu sein. Das zeigt sich vor allem bei Eukaryoten mit Mutationen in diesem Bereich: Alle betroffenen Organismen weisen schwere Störungen bei der Chromosomensegregation auf, also der korrekten Aufteilung der Chromosomen auf die entstehenden Zellen.
Zentromere in Eukaryoten sind unterschiedlich komplex in ihrer Größe und Struktur. Man unterscheidet hierbei zwischen Punkt-, Holo- und regionalen Zentromeren. Die meisten Eukaryoten z. B. der Mensch oder die Modellpflanze Arabidopsis thaliana besitzen regionale Zentromere.
Bildquelle: © GABI
Bisher keine repetitive DNA in holozentrischen Chromosomen nachweisbar
Wie genau die holozentrischen Chromosomen aufgebaut sind, ist wissenschaftlich noch nicht umfassend geklärt. Während die zentromerische Bindung bei monozentrischen Chromosomen durch CenH3 vermittelt und häufig von repetitiven DNA-Sequenzen begleitet wird, konnte Zentromer-assoziierte repetitive DNA bei verschiedenen holozentrischen Tier- und Pflanzenarten bisher nicht nachgewiesen werden.
Viele, weit verteilte Zentromer-Einheiten entdeckt
Bei der Untersuchung der Zentromerstruktur der holozentrischen Schnabelriedart Rhynchospora pubera haben Wissenschaftler vom IPK Gatersleben mit internationaler Unterstützung eine interessante Entdeckung gemacht: Das Sauergras scheint über eine Vielzahl kleiner, über das gesamte Genom verteilte Zentromer-Einheiten zu verfügen. Anders als bisher üblich fanden die Forscher hier auch repetitive DNA-Sequenzen, in den aufeinanderfolgenden CenH3-positiven Nukleosomen. Immer wenn die Chromosomen während einer Zellteilung kondensieren, rutschen die sonst verstreuten Einheiten zusammen und lassen ein funktionsfähiges, linienförmiges Zentromer entlang der Chromosomenarme entstehen.
„Diese überraschenden Forschungsergebnisse“, so Dr. Andreas Houben, der Leiter der Arbeitsgruppe Chromosomenstruktur und -funktion des IPK, „erweitern unsere bisher begrenzten Vorstellungen von der Struktur von Chromosomen erheblich und verdeutlichen, dass auch in den verschiedenen holozentrischen Arten ganz unterschiedliche Zentromer-Strukturen zu finden sind. Ich bin überzeugt, dass wir uns in Bezug auf die Chromosomenforschung auch auf künftige Horizonterweiterungen einstellen dürfen.“
Quelle:
Marques, A. et al. (2015): Holocentromeres in Rhynchospora are associated with genome-wide centromere-specific repeat arrays interspersed among euchromatin. In: Proc Natl Acad Sci U S A. (21. Oktober 2015), doi: 10.1073/pnas.1512255112.
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Titelbild: Bei X-förmigen Chromosomen wird das Zentromer als Einschnittstelle bzw. Kreuzungspunkt der Chromosomenarme sichtbar. (Bildquelle: © iStock.com/nobeastsofierce)
