Genetische und zelluläre Grundlagen der Vererbung und des Erhalts des mitochondrialen Genoms in Hefe

• Antragsteller: Professor Dr. Benedikt Westermann
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 246843390

Vererbung und Aufrechterhaltung des mitochondrialen Genoms spielen eine wichtige Rolle beim Energiestoffwechsel eukaryontischer Zellen. Fehlfunktionen sind Ursache für neurodegenerative Erkrankungen und Alterserscheinungen. Die genetischen und zellulären Grundlagen der Vererbung des mitochondrialen Genoms sowie die beteiligten Reparatur- und Qualitätskontrollmechanismen sind nur unzureichend verstanden. Die Hefe Saccharomyces cerevisiae ist ein hervorragender Modellorganismus, um diese Prozesse zu untersuchen, da sie fakultativ auf mitochondriale Atmung verzichten kann und hervorragend für genetische und systembiologische Ansätze geeignet ist. Dieses Vorhaben verfolgt zwei Hauptziele: 1. Eine systematische genomweite Analyse der genetischen Interaktionen von Genen im Zellkern mit wildtypischer oder mutierter mitochondrialer DNA (mtDNA); 2. die Entwicklung und Etablierung von Methoden, mit denen die Vererbung von mtDNA auf Einzelzellebene untersucht werden kann. Um das erste Ziel zu erreichen, sollen Synthetic Genetic Arrays (SGA) durchgeführt werden, in denen Mutantenbibliotheken, die das gesamte Hefegenom abdecken, mit verschiedenen mtDNA-Varianten konfrontiert werden. Diese Experimente sollen systematisch die Gene aufklären, die für die Vererbung der mtDNA wichtig sind und die mtDNA langfristig funktionsfähig erhalten und gegen Schäden schützen. Dies beinhaltet Komponenten, die Replikation, Rekombination und Verteilung der mtDNA vermitteln, und Faktoren, die beim Schutz, Reparatur und Eliminierung defekter mtDNA beteiligt sind. Für das zweite Ziel sollen in heteroplasmischen Zellen, die unterschiedliche mitochondriale Genome enthalten, einzelne mtDNA Nukleoide fluoreszenzmarkiert werden. Dies geschieht durch Markierung mit Fusionsproteinen aus Nukleoidkomponenten und Fluoreszenzproteinen bzw. Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) von mtDNA. Darüber hinaus soll die Beteiligung von mitochondrialen oder cytosolischen Proteinen am Transport und Verteilung von mtDNA untersucht werden, was über Kolokalisation in Licht- und Elektronenmikroskopie oder Fluoreszenz-Cross-Correlation-Spektroskopie (FCCS) analysiert werden kann. In einer späteren Phase sollen die beiden Hauptziele kombiniert werden, indem die in den genomweiten Screens neu identifizierten Komponenten mit den neu etablierten Methoden funktionell charakterisiert werden. Diese Experimente lassen ein vertieftes Verständnis der genetischen und zellulären Pathways erwarten, die zur Vererbung und Aufrechterhaltung des mitochondrialen Genoms in einer einfachen eukaryontischen Zelle beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen