Bei der Entstehung von Ei- und Samenzellen kann einiges schief gehen. So gibt es eine Reihe Krankheiten und Störungen, die durch einen vorzeitigen Zerfall der Chromosomen bei der Zellteilung entstehen. Warum dies so ist und was es verhindert, haben jetzt Wiener Wissenschaftler herausgefunden.
Während der Zellteilung von Körperzellen, der Mitose, werden frisch verdoppelte Chromosomen auf die Tochterzellen aufgeteilt. Anders verläuft die Zellteilung bei der Entstehung von Keimzellen – Eizellen und Spermien. Bei dieser als Meiose bezeichneten Zellteilung müssen die in jeder Körperzelle zweifach vorhandenen Chromosomensätze – mütterliche und väterliche – auf einen einzigen reduziert werden.
Professor Franz Klein und seine Mitarbeiterin, die Doktorandin Alexandra Penkner, vom Vienna Biocenter haben nun im Journal CELL Ergebnisse zu einer wichtigen Regulation dieses Vorganges veröffentlicht. Diese zeigen, dass die zum Zelltod führende verfrühte Trennung von neu duplizierten Chromosomen von einem Protein mit der Bezeichnung Mnd2 verhindert wird.
Schwestern halten zusammen
Zum Hintergrund der am Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae, der Bierhefe, ausgeführten Arbeiten erklärt Klein: „Die frisch verdoppelten Chromosomen, auch Schwester-Chromatiden genannt, werden bis zu ihrer Trennung durch einen Proteinring namens Kohäsin zusammengehalten. Dabei werden die Chromatiden so angeordnet, dass später eine korrekte Aufteilung auf die Nachkommenzellen erfolgt. Die von uns nun entdeckte Aufgabe des Proteins Mnd2 ist es, diese Ordnung so lange zu stabilisieren, bis der korrekte Zeitpunkt während der Zellteilung erreicht ist.“
Die zur Zellteilung notwendige Öffnung der Kohäsinringe wird durch den so genannten Anaphase Promoting Complex (APC/C) kontrolliert. Dazu Klein: „Noch während wir an Mnd2 arbeiteten, fanden Kollegen in den USA und Deutschland, dass
Mnd2 einer von 13 fixen Teilen des APC/C ist, aber niemand ahnte, welch bedeutende Rolle Mnd2 spielt. Diese offenbart sich nämlich ausschließlich während der Meiose, wenn die Keimzellen geschaffen werden.“
Penkner zeigte zunächst experimentell, dass Zellen, denen Mnd2 fehlt, Schäden der meiotischen Chromosomenstruktur, DNS-Brüche und verfrühte Trennung von Schwester-Chromatiden aufweisen. Solche Anomalien könnten durch eine unregulierte Aktivität des APC/C verursacht werden. Diese Vermutung testete Penkner in eleganten Experimenten, in denen sie bei Hefezellen
– zusätzlich zu Mnd2 – auch den APC/C inaktivierte. Tatsächlich konnten so die Chromosomen-Schäden verhindert werden.
Ein Protein als Bremse
Weitere Experimente lieferten die Erklärung für das Phänomen, dass die beschriebenen Schäden ausschließlich während der Meiose auftreten. Es zeigte sich nämlich, dass Mnd2 eine zusätzliche Untereinheit (Ama1) des APC/C hemmt, die eben nur während der Meiose auftritt und der Aktivierung des APC/C dient. Fehlt Mnd2, wird der APC/C also während der Meiose zu früh durch Ama1 aktiviert und die Proteinringe werden ungebremst geöffnet. Damit geht die Verbindung zwischen den Schwester-Chromatiden vorzeitig verloren, was Chromosomen-Schäden und letztlich den Zelltod zur Konsequenz hat.
Gerade in der Meiose sind solche Chromosomen-Schäden von besonderer Bedeutung. Ein Beispiel beim Menschen ist das Down-Syndrom, das dadurch entsteht, dass die „gerechte“ Aufteilung zweier Chromosomen nicht funktioniert. So entstehen Keimzellen mit zwei Chromosomen 21, die nach der Befruchtung zu Körperzellen mit drei Chromosomen 21 heranwachsen.
Die Arbeit von Klein schließt an eine frühere, gemeinsame Studie mit einem Team um Professor Kim Nasmyth vom Research Institute of Molecular Pathology (IMP) am Campus Vienna Biocenter an. In dieser Arbeit wurde die Rolle von über 300 Proteinen während der Meiose analysiert. Dabei wurde auch entdeckt, dass Mnd2 eine entscheidende Funktion hat – die nun mit Unterstützung des FWF in der vorliegenden Arbeit aufgeklärt werden konnte.
(Vienna Biocenter, 30.03.2005 – NPO)
