Aufhebung der Schwesterchromatid-Kohäsion in der Mitose: Die Rolle von Phosphorylierung und Deacetylierung

• Antragsteller: Professor Dr. Olaf Stemmann
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450806808

Die Zellteilung ist für das Wachstum und die Fortpflanzung des Menschen unerlässlich. Bevor eine Zelle mit der Teilung beginnt, wird die auf den Chromosomen gespeicherte genetische Information verdoppelt. Nach der Replikation besteht jedes Chromosom aus zwei identischen Schwesterchromatiden, die von dem Multiproteinkomplex Cohesin ringförmigen umschlossen werden. Die Schwesterchromatid-Kohäsion, die durch Acetylierung der Kohäsin Untereinheit Smc3 stabilisiert wird, ist für eine fehlerfreie Halbierung des genetischen Materials unerlässlich, muss aber vor der Chromosomentrennung aufgelöst werden. Bei Vielzellern geschieht dies in zwei Wellen. Zuerst öffnen die konzertierten Aktivitäten von Proteinkinasen und Wapl die Kohäsinringe auf nicht-proteolytische Weise. Während dieser so genannte Prophase-Weg das Kohäsin von den Chromosomenarmen entfernt, wird das Kohäsin an den Zentromeren durch Sgo1-abhängige Dephosphorylierung geschützt. Die Aktivierung der Separase führt dann zur Spaltung der Rad21-Untereinheit des verbleibenden Kohäsins, und es ist diese Proteolyse-abhängige, zweite Welle der Ringöffnung, welche die Anaphase auslöst. In der Hefe, wo der Prophase-Weg so nicht vorkommt, wird das gesamte chromosomal gebundene Kohäsin durch Rad21-Spaltung entfernt. Eine Studie behauptet, dass die Dissoziation des Kohäsins von den Chromosomen Voraussetzung für die Smc3-Deacetylierung in der Anaphase ist. Diese Ansicht wird jedoch dadurch in Frage gestellt, dass (selbst gespaltenes) Kohäsin länger mit dem Chromatin assoziiert bleibt, wenn die Deacetylierung verhindert wird. Wir haben vor kurzem entdeckt, dass die Separase, einmal von ihren Inhibitoren befreit, einen Komplex mit der humanen Smc3-Deacetylase, HDAC8, eingeht. Nun werden wir Chromatin-gebundenes Kohäsin für enzymatische Assays nutzen, um die zeitliche Reihenfolge und (gegenseitige) Abhängigkeit der Rad21-Spaltung und der Smc3-Deacetylierung zu klären.Sgo1 dissoziiert in der Prometaphase von zentromerischem Kohäsin ab. Dies wirft wichtige, noch ungelöste Fragen auf: Warum wird ungeschütztes zentromerisches Kohäsin nicht durch phosphorylierungs- und Wapl-abhängige Ringöffnung entfernt? Bedeutet dies, dass der Prophase-Weg in der Prometaphase nicht mehr aktiv ist, und - wenn ja - wie wird er zum richtigen Zeitpunkt abgeschaltet? Wie wird Sgo1 auf mechanistischer Ebene zu zentromerischem Kohäsin dirigiert (und dann später wieder von diesem entfernt)? Und warum verlässt Sgo1 die Zentromere überhaupt? Ist dies erforderlich, weil sonst die Separase-abhängige Spaltung des Kohäsins beeinträchtigt wäre? Wir schlagen hier eine Kombination aus biochemischen Rekonstitutionen, genome editing und zellbiologischen Experimenten vor, um all diese Fragen zu beantworten und so zu einem umfassenden Verständnis der menschlichen Chromosomen-Segregation zu gelangen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen