Genomstabilität

Determinanten der Genomstabilität bei der Spalthefe Schizosaccharomyces pombe

Die präzise Verdopplung des genetischen Materials und dessen anschließende korrekte Verteilung auf die zwei Folgezellen sind essentielle Eigenschaften eines jeden eukaryotischen Zellzyklus, welche die erfolgreiche Weitergabe der genetischen Information an die nächste Generation gewährleisten. Eine unpräzise DNA-Verteilung und der damit oft einhergehende Verlust oder Zugewinn ganzer Chromosomen (Aneuploidie) führt nur in Ausnahmefällen zu lebensfähigen genetischen Konstitutionen, welche dann zumeist schwere Abnormalitäten aufweisen. Eine Vielzahl an Krankheiten, wie z.B. bestimmte Tumorarten oder das Down-Syndrom beim Menschen sind auf eine Fehlverteilung des chromosomalen Materials zurückzuführen. Neueren Studien zufolge wird Aneuplodie unter anderem auch mit der Alzheimer-Krankheit und der menschlichen Alterung in Verbindung gebracht. Aus diesen Gründen leistet die funktionelle Analyse der genetischen Stabilitätsmechanismen einer eukaryotischen Zelle einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der molekularen Prozesse, die zur Fehlfunktion der Zelle und letztlich zum entarteten Zellwachstum führen.

Die Analyse des Chromosomenzyklus ist in höheren Eukaryoten nur bedingt durchführbar. Daher wurden solche Arbeiten schon seit mehreren Jahren in den beiden AscomycetenSaccharomyes cerevisiae undSchizosaccharomyces pombe durchgeführt, die sich aufgrund ihrer leichten Handhabbarkeit und ihrer sehr gut entwickelten genetischen Systeme hervorragend als Modelleukaryoten für das Studium solcher fundamentalen zellbiologischen Prozesse eignen. Viele Genprodukte unterschiedlichster Funktion sind evolutionär konserviert in Hefen und höheren Eukaryoten. Zum jetzigen Zeitpunkt haben ein Viertel aller positional klonierten Gene, die für die unterschiedlichsten humanen Erkrankungen verantwortlich sind, ein homologes Gen in der Hefe-Datenbank. Die Funktion solcher Genprodukte läßt sich in Hefe viel einfacher aufklären als in höheren Eukaryoten. So wurde mit dem Modellsystem Hefe ein entscheidender Beitrag zur Aufklärung der Regulation des eukaryotischen Zellzyklus geleistet. Auch die molekularen Ursachen verschiedener Humanerkrankungen wie zum Beispiel Ataxia telangiectasia und HNPCC wurden durch die Analyse des homologen Hefegens transparenter gemacht.Die Identifikation von neuen Hefekomponenten, die für die präzise Aufteilung des genetischen Materials auf Mutter- und Tochterzelle benötigt werden, verhilft zu einem besseren Verständnis der eukaryotischen Chromosomensegregation. Die Spalthefe eignet sich hierfür besonders gut, da einige Charakteristika, die für die Mitose in höheren Eukaryoten benötigt werden wie z.B. die Chromosomenkondensation, das Vorhandensein einer Metaphasenplatte und die Anwesenheit einer mitotischen Spindel nur während der Mitose, auch inS. pombe zu finden sind.Des weiteren ist das Genom vonS. pombe sequenziert und in einer öffentlichen Datenbank zugänglich. Auch die leichte genetische Handhabung macht die Spalthefe als Modellorganismus äußerst attraktiv. So kann die genomische DNA vonS. pombe Zellen sehr effizient mittels homologer Rekombination Basenpaar-genau verändert werden. Diemal-Gene Wir haben daher ein genetisches System inS. pombe entwickelt, mit dem Genprodukte identifiziert werden können, die an den unterschiedlichsten Aspekten der Chromosomensegregation und ihrer Regulation beteiligt sind. Basis des Testsystems ist einS. pombe Stamm, der neben den drei endogenen Chromosomen ein weiteres, nicht essentielles, mit einem Selektionsmarker versehenes Minichromosom trägt. Der Verlust des Minichromosoms macht sich durch einen Farbwechsel von weiß auf rot bemerkbar, so daß die Frequenz roter Sektoren in einer weißen Kolonie die genetische Stabilität des zusätzlichen Chromosoms anzeigt. Dieser Stamm wurde als Ausgangsstamm für den Screen eingesetzt und bis dato wurden 25 Mutantenstämme isoliert, sogenanntemal Stämme, die einen bis zu 400fach erhöhten Verlust des Minichromosoms zeigen.Drei diesermal Mutanten wurden bis dato analysiert. Bei Mal2p handelt es sich um ein neues, essentielles Kinetochorprotein, das für die präzise Segregation des genetischen Materials auf die beiden Folgezellen benötigt wird (Fleig et al.,1996; Jin et al., 2002). Das mit Mikrotubuli assoziierte Protein Mal3p wird sowohl für das Interphasenmikrotubulizytoskelett als auch für den Aufbau der mitotischen Spindel benötigt und beeinflußt die Mikrotubuli-Dynamik(Beinhauer et al., 1997).Mal3p stellt das funktionell homologe Protein des humanen Proteins EB1 dar, das mit dem Tumorsuppressor-Protein APCin vivo interagiert (Beinhauer et al., 1997). Das dritte von uns untersuchte mal Gen,mal25l*, kodiert für dieS. pombe RAN GTPase Spi1p, für die wir zum ersten Mal einein vivo Rolle bei der Integrität von Mikrotubuli nachweisen konnten (Fleig et al., 2000).