Lokale und zeitliche Kontrolle der DNA Doppelstrangbruchbildung in Keimzellen der Säugetiere durch das neu entdeckte Meiose-spezifische Protein ANKRD31
Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
DNA-Doppelstrangbrüche (DSB) tragen wesentlich zur Genominstabilität, zu pathologischen Mutationen und Krebserkrankungen bei. Die gezielte Bildung hunderter DSBs ist jedoch ein essentieller Teil der Meiose und dient zur Initiation der meiotischen homologen Rekombination. Die durch Rekombination vermittelte DSB-Reparatur führt zu Crossover, die für die Chromosomensegregation und somit Bildung haploider Keimzellen unabdingbar sind. Störungen können Aneuploidien und Infertilität beim Menschen hervorrufen, zudem sind persistierende DSBs potenziell genotoxisch. Der Mechanismus der DSB-Kontrolle ist jedoch bisher kaum bekannt. Im Säugergenom existieren tausende Stellen, die zur meiotischen DSB-Bildung neigen, sog. Hotspots. Hotspots sind abhängig von „offenen“ Chromatinmarkierungen wie die tri-Methylierung von Lys-4 (H3K4me3) und Lys-36 (H3K36me3) des Histons H3. Aktive Promoter und Gene mit diesen Modifikationen dienen jedoch nicht als Hotspots im Wildtyp. Die DSB-Bildungaktivität ist in homologen pseudoautosomalen Regionen (PARs) der X/Y- Chromosomen besonders stark, wobei Hotspots in PARs und anderer Genomregionen (Nicht-PAR-Hotspots) von unterschiedlichen Faktoren abhängen. Positionen der Nicht-PAR- Hotspots werden durch PRDM9 determiniert, das an Hotspots bindet und lokal H3- Methylierungenen katalysiert. Es wird vermutet, dass die Kombination aus Histonmodifikationen und PRDM9-Bindung die DSB-Maschinerie, repräsentiert durch ein Multiprotein-DSB- Faktor-Cluster, rekrutiert. Im Gegensatz dazu benötigen PARs kein PRDM9 für DSBs. Wir identifizierten ein bislang unbekanntes Meiose-spezifisches Protein, ANKRD31, das mit chromatingebundenen DSB-Faktor-Clustern colokalisiert. Wir beobachteten, dass ANKRD31-defiziente Mäuse drastisch verzögerte DSB-Bildung und abnormale Hotpsot-Verteilung aufweisen. DSB bilden sich sowohl an typischen Nicht-PAR-Hotspots, aber auch anomal an aktiven Promotoren. Auffällig ist zudem die deutliche Reduktion von DSBs in PARs. Angesichts dieser Beobachtungen beabsichtigten wir, neue Erkenntnisse über die meiotische DSB-Kontrolle zu gewinnen, indem wir uns auf ANKRD31 und dessen Interaktion mit anderen DSB-Faktoren konzentrierten. Unsere Daten deuten an, dass ANKRD31 als Scaffold für DSB-Faktor-Cluster fungiert und sowohl deren Keimbildung als auch Wachstum fördert. ANKRD31 ergänzt einen Mechanismus, der spezifisch die Keimbildung von DSB- Faktor-Clustern unterstützt und von HORMAD1/IHO1-Proteinen abhängt. Wir zeigen hiermit, dass DSBs von genetisch separierten Mechanismen gewährleistet werden, die die Keimbildung und das Wachstum von DSB-Faktor-Clustern auf Chromatin unterschiedlich unterstützen. Darüber hinaus haben wir negative Feedbackmechanismen aufgedeckt, die ein Übermaß an DSBs durch Destabilisierung der DSB-Faktor-Cluster verhindern. Somit wurden im Rahmen des Projekts Schlüsselmechanismen zur Kontrolle der DSB-Bildung bei Säugetieren aufgeklärt, die für die menschliche Fortpflanzungsbiologie von Bedeutung sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Mouse ANKRD31 Regulates Spatiotemporal Patterning of Meiotic Recombination Initiation and Ensures Recombination between X and Y Sex Chromosomes. Molecular Cell, 74(5), 1069-1085.e11.
Papanikos, Frantzeskos; Clément, Julie A.J.; Testa, Erika; Ravindranathan, Ramya; Grey, Corinne; Dereli, Ihsan; Bondarieva, Anastasiia; Valerio-Cabrera, Sarai; Stanzione, Marcello; Schleiffer, Alexander; Jansa, Petr; Lustyk, Diana; Fei, Ji-Feng; Adams, Ian R.; Forejt, Jiri; Barchi, Marco; de Massy, Bernard & Toth, Attila
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Four-pronged negative feedback of DSB machinery in meiotic DNA-break control in mice. Nucleic Acids Research, 49(5), 2609-2628.
Dereli, Ihsan; Stanzione, Marcello; Olmeda, Fabrizio; Papanikos, Frantzeskos; Baumann, Marek; Demir, Sevgican; Carofiglio, Fabrizia; Lange, Julian; de Massy, Bernard; Baarends, Willy M.; Turner, James; Rulands, Steffen & Tóth, Attila
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Seeding the meiotic DNA break machinery and initiating recombination on chromosome axes. Nature Communications, 15(1).
Dereli, Ihsan; Telychko, Vladyslav; Papanikos, Frantzeskos; Raveendran, Kavya; Xu, Jiaqi; Boekhout, Michiel; Stanzione, Marcello; Neuditschko, Benjamin; Imjeti, Naga Sailaja; Selezneva, Elizaveta; Tuncay, Hasibe; Demir, Sevgican; Giannattasio, Teresa; Gentzel, Marc; Bondarieva, Anastasiia; Stevense, Michelle; Barchi, Marco; Schnittger, Arp; Weir, John R. ... & Tóth, Attila
