Wie Hefezellen genetische Infektionen erkennen
ETH-Forscher entdecken an einer überraschenden Stelle in Hefezellen einen neuen Mechanismus, mit welchem die Zellen fremdes genetisches Material – sei es von Pathogenen oder Kontaminationen aus der Umwelt - erkennen und unsch?dlich machen.
Bakterien haben in ihrer langen Geschichte ein wirksames Immunsystem entwickelt, um das Eindringen von fremder Erbsubstanz wie diejenige von Viren und anderen Bakterien zu erkennen und abzuwehren. Ein mittlerweile bekannter Bestandteil dieser ?angeborenen? Immunabwehr der Einzeller ist beispielsweise das Crispr/Cas-System, das genetisches Material von Eindringlingen speichert, um im Fall einer Neuinfektion den Erreger erkennen und bek?mpfen zu k?nnen.
Von Eukaryoten war hingegen nicht bekannt, ob sie über vergleichbare Mechanismen einer auf zellul?ren Ebene autonom agierenden Immunabwehr verfügen. Die Forschung nahm zwar an, dass auch einfache eukaryotische Zellen solche Mechanismen haben k?nnten, wusste aber nicht welche. Dies wurde bislang auch nicht n?her untersucht.
Schlüsselposition bei DNA-Kompaktierung
Forscher um Yves Barral, Professor für Biochemie der ETH Zürich, haben nun aber genau hingeschaut – und wurden bei Hefezellen fündig. In diesen einzelligen Pilzen entdeckten sie einen bis dato unbekannten Immunmechanismus, der an einem überraschenden Ort wirkt: am Zentromer der Chromosomen. Die Wissenschaftler publizierten ihre Erkenntnisse in der neusten Ausgabe der Fachzeitschrift ?externe Seite Cell?.
Das Zentromer ist der Ort, an dem die beiden Teile eines Chromosoms, Chromatide genannt, miteinander verbunden sind. Dort bildet sich auch ein Proteinkomplex namens Kinetochor aus. Bei der Zellteilung dockt der sogenannte Spindelapparat an diesem an, um die beiden Chromatide zu trennen, auseinanderzuziehen, ein Chromatid in der Mutterzelle zu belassen und das andere in die Tochterzelle zu bef?rdern. Damit ist eine gleichm?ssige Verteilung des genetischen Materials auf Mutter- und Tochterzelle gew?hrleistet.
Barral und seine Kollegen zeigen nun auf, dass das Zentromer eine Schlüsselstellung bei der Kondensation von Chromosomen innehat. Es bestimmt, wann und wie ein Chromosom kondensiert, vor allem in seiner engen Nachbarschaft. Vom Zentromer gehen jedoch auch molekulare Signale aus, damit sich das Chromosom an den von ihm entfernten Enden optimal kompaktiert.
Fremder DNA fehlt Zentromer
Fremde Erbsubstanz, wie sie etwa in Form von viren?hnlicher DNA oder DNA-Ringen von Zeit zu Zeit in eine Zelle eingeschleust wird, oder Chromosomen ohne Zentromer k?nnen hingegen nicht kondensieren. Infolgedessen kann sich auch kein Kinetochor anlagern, sodass die Andockstelle für Spindelfasern fehlt.
W?hrend der Zellteilung wird nicht-kondensiertes Genmaterial erkannt und aktiv in einer der beiden künftigen Tochterzellen, welche die Forscher als Mutterzelle bezeichnen, zurückbehalten. Damit bleibt fremde Erbsubstanz in der Mutterzelle, die Tochterzelle erh?lt nur arteigenes Genmaterial, und zwar wie vorgesehen die H?lfte alle Chromatiden.
In der Mutterzelle reichert sich mit der asymmetrischen Teilung DNA an, die für den Organismus wertlos ist, was sie schneller altern und sterben l?sst. Damit stellen die Hefezellen sicher, dass potenziell sch?dliche Erbsubstanz nicht in der Population verbleibt. Die Tochterzellen k?nnen durch viele weitere Teilungen eine Population aufbauen, die nur bew?hrte DNA enth?lt.
Zentromere evolvieren rasch
Die Forschung hat in den vergangenen Jahren überraschenderweise festgestellt, dass Zentromere von Art zu Art sehr unterschiedlich sind. ?Eigentlich müsste man annehmen, dass sich eine solch zentrale und wichtige Struktur im Lauf der Entwicklungsgeschichte kaum ver?ndert und daher bei allen Arten sehr ?hnlich sein sollte?, erkl?rt Barral.
Das ETH-Forschungsteam liefert dafür nun eine m?gliche Erkl?rung: ?Der Grund für die rasche Evolution von Zentromere k?nnte das Wettrüsten zwischen Wirt und Pathogen sein?, erkl?rt der BIochemiker. Pathogene würden sehr schnell lernen, wie sie die Kontrolle, die das Zentromer auf die Kondensation von Chromosomen ausübt, zu umgehen. Dies k?nnte den Druck auf den Wirtsorganismus erh?hen, das Zentromer laufend zu ver?ndern, um so die Weitergabe fremder Erbsubstanz zu verhindern.
?Unsere Entdeckung, dass das Zentromer ein Teil der zellul?ren autonomen Abwehr von artfremdem Genmaterial ist, k?nnte erkl?ren, warum dieser Bereich des Chromosoms bei verschiedenen Arten so unterschiedlich ist.?
F?rdert Zentromer die Entstehung neuer Arten?
Konsequenzen k?nnten diese Erkenntnisse auch für die Entstehung von Arten haben. Wird eine Population beispielsweise durch eine geografische Barriere getrennt, k?nnte jede der beiden Teilpopulationen anderen Erregern ausgesetzt sein. Infolgedessen würde sich das Zentromer bei beiden verschieden entwickeln.
Sollten Individuen dieser Teilpopulationen nach einiger Zeit wieder zusammentreffen, k?nnte die Fortpflanzung aufgrund der nicht mehr kompatiblen Zentromere unterbunden sein. ?Das ist zwar nur eine Spekulation, aber wir k?nnen uns vorstellen, dass sich die beiden Teilpopulationen nicht mehr als identische Spezies erkennen. Der Mechanismus k?nnte deshalb bei der Artbildung eine wichtige Rolle spielen?, vermutet Barral.
Er und seine Arbeitsgruppe nehmen derzeit die Spalthefe, eine entfernte Verwandte der B?ckerhefe, unter die Lupe. Die Chromosomen der Spalthefe ?hneln denjenigen von Tieren. Die Forscher m?chten herausfinden, ob auch bei ihnen auf Zellebene ein solcher Abwehrmechanismus vorhanden ist. Barral sucht zudem Viren, die Pilze befallen. ?In der Literatur ist dazu nichts zu finden. Da aber Hefen Pilze sind und über den nun beschriebenen Immunmechanismus verfügen, gehe ich davon aus, dass Viren auch Pilze attackieren und dabei ihre Erbsubstanz einschleusen.? Es sei wohl nur eine Frage der Zeit, bis sie solche Viren finden würden.
An der vorliegenden Studie haben Barral und seine Kollegen vier Jahre lang gearbeitet. Die Idee, dass ein Abwehrmechanismus in Hefen existiert, sei ihnen vor zehn Jahren in Zusammenhang mit der Erforschung des Alterns dieser Mikroorganismen erstmals gekommen. ?Offensichtlich besteht eine Verknüpfung zwischen der Alterung und der Abwehr von Pathogenen?, sagt der Forscher. Deren DNA werde wie überflüssige Proteine auch in der alternden Mutterzelle entsorgt. ?Die neue Arbeit suggeriert, dass verschiedene Puzzleteile, die wir in den letzten Jahren erarbeitet haben, tats?chlich zusammenpassen.?
Literaturhinweis
Kruitwagen T, Chymkowitch P, Denoth-Lippuner A, Enserink J, Barral Y. Centromeres License the Mitotic Condensation of Yeast Chromosome Arms. Cell (2018), Vol. 175; Issue 3. DOI: externe Seite 10.1016/j.cell.2018.09.012