Untersuchungen zum Verständnis der nicht-konservierten Funktion und Regulation des Anaphase promoting complex/Cyclosome in Pflanzen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Während des Zellzyklus in Eukaryoten wird die Kern-DNA, die in Form von Chromosomen organisiert ist, zunächst verdoppelt und dann auf zwei Tochterzellen verteilt. Dabei ist es essentiell, dass die beiden neuentstehenden Zellen genau die gleiche Anzahl von Chromosomen erhalten. Beeinträchtigungen bei der Verteilung von Chromosomen führen zu großen Veränderungen der Entwicklung, z.B. wie bei der Trisomie 21 im Menschen, bei der die Träger/innen ein zusätzliches Chromosom 21 tragen. Die Aufteilung der Chromosomen wird vom Anaphase-Promoting Complex/Cyclosom (APC/C) katalysiert. Sind die Chromosomen allerdings noch nicht komplett verdoppelt oder liegen so, dass sie ungleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt werden könnten, wird der APC/C durch eine Kontrollinstanz gehemmt bis eine gleichmäßige Verteilung der Chromosomen sichergestellt ist. Diese Kontrollinstanz ist der Spindle Assembly Checkpoint (SAC), der überprüft, ob alle Chromosomen mit der mitotischen und meiotischen Spindel verknüpft sind, die dann die Chromosomen zu den gegenüberliegenden Zellpolen zieht, so dass die entstehenden Tochterzellen, den gleichen DNA-Gehalt haben. In vorhergehenden Studien zeigte sich, dass die Regulation des APC/C in Pflanzen anders zu funktionieren scheint, als in Tieren und Hefen. Ziel dieses Projektes war es, diese pflanzenspezifische Regulation zu verstehen. Dazu wurden drei Teilprojekte verfolgt: Erstens, sollte die intrazelluläre Lokalisierung von SAC-Komponenten räumlich und zeitlich dargestellt werden. Zweitens, sollten die SAC-Komponenten funktional charakterisiert werden und drittens, sollten neue APC/C-Interaktoren identifiziert und dann auch funktional untersucht werden. Alle drei Teilprojekte konnten erfolgreich bearbeitet werden. Eine der wichtigsten Erkenntnisse des Projektes war, dass der SAC in Arabidopsis und vermutlich auch anderen Pflanzen nicht für sehr lange Zeit den APC/C inhibieren kann. In unseren Experimenten konnten wir eine Inhibition von maximal ca. 1,5 Stunden erreichen. Im Gegensatz dazu kann der SAC in Tieren bis ca. 20 Stunden aktiv bleiben. Unser Ergebnis erklärt, warum pflanzlichen Zellen in Kultur nur sehr schlecht synchronisiert werden können, d.h., dass alle Zellen gemeinsam die Phasen des Zellzyklus durchlaufen, denn für eine Synchronisierung werden oft Substanzen benutzt, die den SAC aktivieren. Des Weiteren erklären unsere Ergebnisse, warum eine Aufdopplung des Chromosomensatzes in Pflanzen in aller Regel schnell erreicht werden kann. Andererseits liegt die Ursachen für eine hohe Anzahl von aneuploiden und polyploiden Nachkommen in manchen Pflanzen möglicherweise genau in einem nicht sehr stringent agierenden SAC. Weitere Untersuchungen auf diesem Gebiet sind somit nicht nur von grundlegendem Interesse für ein mechanistisches Verständnis des SAC sondern haben auch ein großes Anwendungspotential in der Pflanzenzüchtung. So ist z.B. vorstellbar, dass ein „Verschärfen“ des SACs dazu führt, dass weniger aneuploide Nachkommen erzeugt werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2017). The Spindle Assembly Checkpoint in Arabidopsis Is Rapidly Shut Off during Severe Stress. Developmental Cell, 43(2), 172–185.e5
Komaki, S., & Schnittger, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.devcel.2017.09.017) - (2020). Functional Analysis of the Plant Chromosomal Passenger Complex. Plant Physiology, 183(4), 1586–1599
Komaki, S., Takeuchi, H., Hamamura, Y., Heese, M., Hashimoto, T., & Schnittger, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1104/pp.20.00344)
