Die Entschlüsselung des Mer3-Helicase-Netzwerks: Strukturelle, biochemische und genetische Einblicke in die meiotische Crossover-Regulation

• Antragsteller: Dr. John Weir
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie ; Allgemeine Genetik und funktionelle Genomforschung ; Biochemie ; Strukturbiologie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 567435826

Die Meiose ist eine besondere Form der Zellteilung, bei der in vielen Organismen – einschließlich des Menschen – Spermien oder Eizellen entstehen. Während der Meiose tauschen Chromosomen in einem Vorgang namens „homologe Rekombination“ DNA-Abschnitte aus. So entsteht genetische Vielfalt, und die richtige Verteilung der Chromosomen wird erleichtert. Allerdings können Fehler in diesem Austausch Unfruchtbarkeit oder genetische Krankheiten verursachen. Im Zentrum unseres Projekts steht das Helikase-Enzym Mer3. Helikasen sind winzige „Molekularmotoren“, die DNA-Stränge voneinander lösen oder „entwinden“ können. Mer3 kann aber mehr, als nur DNA zu öffnen: Es arbeitet eng mit den Proteinen RPA, Rad52 und Dmc1 zusammen, um wichtige DNA-Strukturen zu schützen und zu stabilisieren. Diese Strukturen – sogenannte D-Loops – bilden sich, wenn ein DNA-Strang in eine ähnliche oder identische DNA-Sequenz eindringt. Solche D-Loops sind zentrale Bausteine für die spätere genetische Neuverteilung, die sogenannten „Crossovers“. Unsere Forschung konzentriert sich auf folgende Bereiche: 1 Protein-Partnerschaften verstehen. Wir wollen genau herausfinden, wie Mer3 mit seinen Partnern interagiert: RPA (das einzelsträngige DNA stabilisiert), Rad52 (entscheidend für das Zusammenfügen von DNA-Strängen) und Dmc1 (eine sogenannte „Rekombinase“, die gezielt den Genaustausch fördert). Indem wir untersuchen, an welchen „Hotspots“ Mer3 bindet und welche biochemischen Details entscheidend sind, lernen wir, wie Mer3 die Bildung korrekter Crossovers steuert. 2 Strukturelle Einblicke. Zusammen mit Partnerlabors setzen wir Methoden wie Kryo-Elektronenmikroskopie, Crosslinking-Massenspektrometrie und AlphaFold-Modellierung ein, um sichtbar zu machen, wie Mer3 in verschiedenen Komplexen organisiert ist. Zusätzlich verwenden wir Einzelmolekül-Verfahren – insbesondere magnetische Pinzetten (magnetic tweezers) –, um in Echtzeit zu beobachten, wie Mer3 DNA entfaltet und mit seinen Partnerproteinen zusammenarbeitet. 3 Mechanik der Meiose und genetische Folgen. Wir erzeugen gezielte „Separation-of-Function“-Mutanten, also Mer3-Varianten, bei denen bestimmte Fähigkeiten intakt sind, während andere ausgeschaltet wurden. An diesen Mutanten messen wir dann beispielsweise, wie häufig Crossovers auftreten, wie lebensfähig die Sporen sind und wie sicher die Chromosomen getrennt werden. So lässt sich genau bestimmen, welche Funktion Mer3 zur Fruchtbarkeit und genetischen Vielfalt beiträgt. Dieses Projekt soll helfen, den hochkomplexen „Tanz“ der DNA während der Meiose besser zu verstehen. Da es Mer3 oder sehr ähnliche Helikasen auch in Pflanzen und Tieren (einschließlich Menschen) gibt, könnten unsere Erkenntnisse nicht nur helfen, manche Fruchtbarkeitsprobleme zu erklären, sondern auch bei der Pflanzenzüchtung nützlich sein. Zudem liefert das Wissen über die Reparaturmechanismen der Zelle mögliche Ansätze, um in Zukunft Erkrankungen wie bestimmte Krebsarten gezielt zu beeinflussen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen