Molekulare Architektur meiotischer Chromosomen

• Antragsteller: Professor Dr. Ricardo Benavente
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 273125261

Die Meiose ist eine besondere Form der Zellteilung, die notwendig für die Entstehung von Gameten in der sich geschlechtlich fortpflanzenden Organismen ist. Während der ersten meiotischen Prophase finden die Paarung, Synapse und Rekombination der homologen Chromosomen statt, die Voraussetzung für die korrekte Segregation der Chromosomen während der ersten meiotischen Teilung sind. Aus der Meiose gehen haploide Zellen hervor, die nicht identisch mit der Mutterzelle sind. Die biologische Relevanz der Meiose steht außer Frage: sie bildet die Grundlage für die sexuelle Fortpflanzung und ist größte Quelle genetischer Variabilität. Synapse und Rekombination meiotischer Chromosomen setzen die Assemblierung meiosespezifischer Strukturen voraus: Synaptonemalkomplexe, Cohesinachsen und Rekombinationsknoten. Bemerkenswert ist die Tatsache, dass die drei Strukturen Bestandteile der Chromosomenachsen sind und dass deren Assemblierung untereinander abhängige Prozesse darstellen. Demzufolge ist das Verständnis der molekularen Organisation der meiotischen Chromosomenachsen Voraussetzung für das Verständnis der Erhaltung genomischer Stabilität in der Keimbahn. Die Lokalisation verschiedener Proteinkomponenten meiotischer Chromosomenachsen wurde in der Regel mittels Immunfluoreszenzmikroskopie bei einer doch limitierten Auflösung von 200 nm durchgeführt. Mithilfe der Immungold EM hat man für einige dieser Proteine eine Lokalisation bei einer Auflösung von 20 nm bestimmen können. Ein Nachteil dieser Methode ist die geringe Anzahl von Goldpartikeln. Nach dem Nyquist-Shannon Theorem ist aber für eine hohe Auflösung die Signaldiche mit entscheidend. Daher dürften wichtige Strukturinformationen zu den meiotischen Chromosomenachsen bisher verborgen geblieben sein. Um diese Limitierung zu umgehen und um präzisere quantitative Verteilungsmuster der einzelnen Proteinen erhalten zu können, schlagen wir vor, die molekulare Architektur und Nachbarschaftsbeziehungen der meiotischen Chromosomenachsen-Strukturen untereinander und mit der Kernhülle bei hoher Signaldichte mittels Lokalisationsmikroskopie (Super-Resolution Imaging, dSTORM) mit Nanometerpräzision (Auflösung 20 nm) zu untersuchen. Mithilfe dieser Methode sollen wildtypische und ausgewählte, meioserelevante Knockout-Mäuse in Kombination mit der elektronenmikroskopischen Tomographie sowie mit molekularen und biochemischen Verfahren untersucht werden. Da oft Infertilität und Aneuploidie-Syndrome (z.B. Down Syndrom) auf Defekte der Paarung, Synapse und Rekombination meiotischer Chromosomen zurückzuführen sind, sind die hier vorgeschlagenen Untersuchungen ebenfalls von Relevanz für die tierische und humane Reproduktionsbiologie und -medizin.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen