1.000 Pflanzen sequenziert – Protein reguliert Crossoverprozesse in Pflanzen

Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Fachbereichs Biologie der Universität Hamburg hat durch die Sequenzierung von 1.000 Pflanzen herausgefunden, dass wichtige Prozesse in der Meiose – „crossover interference“ und „crossover assurance“ – durch das Protein ASYNAPTIC 1 (ASY1) reguliert werden. Die Ergebnisse könnten unter anderem für die Züchtung von Nutzpflanzen relevant sein und wurden in der Fachzeitschrift „PNAS nexus“ veröffentlicht.

Die Meiose, auch Reifeteilung genannt, hat zwei wichtige Funktionen bei der Fortpflanzung aller sich sexuell vermehrenden Organismen. Zum einen wird das Erbmaterial in den Zellen der beiden Eltern halbiert, sodass sich nach einer Befruchtung wieder die ursprüngliche Menge des Erbmaterials einstellt und es zu keiner Verdopplung von Generation zu Generation kommt. Zum anderen kommt es zum Austausch von DNA-Abschnitten zwischen den Chromosomen durch ein sogenanntes Crossover, sodass neue genetische Kombinationen ermöglicht werden. Diese neuen Kombinationen sind besonders wichtig, um den Organismen eine Anpassung an sich verändernde Umweltbedingungen zu ermöglichen, und tragen damit zur Evolution der Organismen bei.

Bei der Züchtung wird von dieser Neukombination Gebrauch gemacht, um zum Beispiel Pflanzen zu erhalten, die einen höheren Ertrag liefern oder die sich besser gegen Krankheitserreger verteidigen können. Die Bildung von Crossovern unterliegt jedoch bestimmten Regeln, die bisher, trotz der Wichtigkeit der Meiose, noch nicht verstanden wurden. Beispielsweise werden die Mehrheit der Crossover so platziert, dass diese den größtmöglichen Abstand zu einem anderen Crossover haben – ein Prozess, der crossover interference genannt wird. Darüber hinaus werden die Crossover so kontrolliert, dass jedes Paar von elterlichen Chromosomen mindestens ein Crossover erhält, was man crossover assurance nennt.

Nun hat ein internationales Forschungsteam unter Leitung des Hamburger Entwicklungsbiologen Prof. Dr. Arp Schnittger vom Fachbereich Biologie der Universität Hamburg durch Arbeiten an der Modelpflanze Arabidopsis herausgefunden, dass beide Prozesse – crossover interference und crossover assurance – durch ein Protein reguliert werden, dass ASYNAPTIC 1 (ASY1) genannt wird. Dazu sequenzierten die Forscherinnen und Forscher circa 1.000 Pflanzen und kartierten darin die Crossover.

Die Ergebnisse zeigen, dass wenn ASY1 mutiert ist, vornehmlich Crossover an den Enden der Chromosomen ausgebildet werden und dort viel näher beieinanderliegen als in den nicht mutierten Pflanzen. Zusätzlich traten viele Chromosomen auf, die gar kein Crossover erhalten hatten.

„Neben einem Beitrag für das Verständnis der Grundlagen der Meiose, ergeben sich aus unseren Arbeiten auch viele neue Möglichkeiten, die Positionierung von Crossovern in Nutzpflanzen zu verändern, um diese robuster oder ertragreicher zu machen“, erklärt Prof. Dr. Arp Schnittger. In der Zukunft will Schnittger mit seinem Team vor allem verstehen, wie die Lokalisierung und Aktivität von ASY1 kontrolliert wird. „Da ASY1 zu einer Familie von Proteinen gehört, die sich auch in Maus und Mensch finden, denken wir, dass dort diese Proteine eine sehr ähnliche Funktion haben und der Mechanismus, dem wir nun in Pflanzen auf der Spur sind, auch in vielen Tieren anzutreffen ist.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Arp Schnittger
Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
Fachbereich Biologie
Entwicklungsbiologie
Tel.: +49 40 42816-502
E-Mail: arp.schnittger@uni-hamburg.de

Originalpublikation:

The Arabidopsis Hop1 homolog ASY1 mediates cross-over assurance and interference, Gaetan Pochon, Isabelle M Henry, Chao Yang, Niels Lory, Nadia Fernández-Jiménez, Franziska Böwer, Bingyan Hu, Lena Carstens, Helen T Tsai, Monica Pradillo, Luca Comai, Arp Schnittger, PNAS Nexus (2022). https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgac302

Weitere Informationen:

https://www.min.uni-hamburg.de/ueber-die-fakultaet/aktuelles/2023/0102-protein-c… Newsbericht über die neue Studie