Wie Hefezellen genetische Infektionen erkennen

Bakterien haben in ihrer langen Geschichte ein wirksames Immunsystem entwickelt, um das Eindringen von fremder Erbsubstanz wie diejenige von Viren und anderen Bakterien zu erkennen und abzuwehren. Ein mittlerweile bekannter Bestandteil dieser ?angeborenen? Immunabwehr der Einzeller ist beispielsweise das Crispr/Cas-System, das genetisches Material von Eindringlingen speichert, um im Fall einer Neuinfektion den Erreger erkennen und bek?mpfen zu k?nnen.

Von Eukaryoten war hingegen nicht bekannt, ob sie ¨¹ber vergleichbare Mechanismen einer auf zellul?ren Ebene autonom agierenden Immunabwehr verf¨¹gen. Die Forschung nahm zwar an, dass auch einfache eukaryotische Zellen solche Mechanismen haben k?nnten, wusste aber nicht welche. Dies wurde bislang auch nicht n?her untersucht.

Schl¨¹sselposition bei DNA-Kompaktierung

Forscher um Yves Barral, Professor f¨¹r Biochemie der ETH Z¨¹rich, haben nun aber genau hingeschaut ¨C und wurden bei Hefezellen f¨¹ndig. In diesen einzelligen Pilzen entdeckten sie einen bis dato unbekannten Immunmechanismus, der an einem ¨¹berraschenden Ort wirkt: am Zentromer der Chromosomen. Die Wissenschaftler publizierten ihre Erkenntnisse in der neusten Ausgabe der Fachzeitschrift ?externe SeiteCellcall_made?.

Das Zentromer ist der Ort, an dem die beiden Teile eines Chromosoms, Chromatide genannt, miteinander verbunden sind. Dort bildet sich auch ein Proteinkomplex namens Kinetochor aus. Bei der Zellteilung dockt der sogenannte Spindelapparat an diesem an, um die beiden Chromatide zu trennen, auseinanderzuziehen, ein Chromatid in der Mutterzelle zu belassen und das andere in die Tochterzelle zu bef?rdern. Damit ist eine gleichm?ssige Verteilung des genetischen Materials auf Mutter- und Tochterzelle gew?hrleistet.

Barral und seine Kollegen zeigen nun auf, dass das Zentromer eine Schl¨¹sselstellung bei der Kondensation von Chromosomen innehat. Es bestimmt, wann und wie ein Chromosom kondensiert, vor allem in seiner engen Nachbarschaft. Vom Zentromer gehen jedoch auch molekulare Signale aus, damit sich das Chromosom an den von ihm entfernten Enden optimal kompaktiert.

Fremder DNA fehlt Zentromer

Fremde Erbsubstanz, wie sie etwa in Form von viren?hnlicher DNA oder DNA-Ringen von Zeit zu Zeit in eine Zelle eingeschleust wird, oder Chromosomen ohne Zentromer k?nnen hingegen nicht kondensieren. Infolgedessen kann sich auch kein Kinetochor anlagern, sodass die Andockstelle f¨¹r Spindelfasern fehlt.

W?hrend der Zellteilung wird nicht-kondensiertes Genmaterial erkannt und aktiv in einer der beiden k¨¹nftigen Tochterzellen, welche die Forscher als Mutterzelle bezeichnen, zur¨¹ckbehalten. Damit bleibt fremde Erbsubstanz in der Mutterzelle, die Tochterzelle erh?lt nur arteigenes Genmaterial, und zwar wie vorgesehen die H?lfte alle Chromatiden.

In der Mutterzelle reichert sich mit der asymmetrischen Teilung DNA an, die f¨¹r den Organismus wertlos ist, was sie schneller altern und sterben l?sst. Damit stellen die Hefezellen sicher, dass potenziell sch?dliche Erbsubstanz nicht in der Population verbleibt. Die Tochterzellen k?nnen durch viele weitere Teilungen eine Population aufbauen, die nur bew?hrte DNA enth?lt.

Zentromere evolvieren rasch

Die Forschung hat in den vergangenen Jahren ¨¹berraschenderweise festgestellt, dass Zentromere von Art zu Art sehr unterschiedlich sind. ?Eigentlich m¨¹sste man annehmen, dass sich eine solch zentrale und wichtige Struktur im Lauf der Entwicklungsgeschichte kaum ver?ndert und daher bei allen Arten sehr ?hnlich sein sollte?, erkl?rt Barral.

Das ETH-Forschungsteam liefert daf¨¹r nun eine m?gliche Erkl?rung: ?Der Grund f¨¹r die rasche Evolution von Zentromere k?nnte das Wettr¨¹sten zwischen Wirt und Pathogen sein?, erkl?rt der BIochemiker. Pathogene w¨¹rden sehr schnell lernen, wie sie die Kontrolle, die das Zentromer auf die Kondensation von Chromosomen aus¨¹bt, zu umgehen. Dies k?nnte den Druck auf den Wirtsorganismus erh?hen, das Zentromer laufend zu ver?ndern, um so die Weitergabe fremder Erbsubstanz zu verhindern.

?Unsere Entdeckung, dass das Zentromer ein Teil der zellul?ren autonomen Abwehr von artfremdem Genmaterial ist, k?nnte erkl?ren, warum dieser Bereich des Chromosoms bei verschiedenen Arten so unterschiedlich ist.?

F?rdert Zentromer die Entstehung neuer Arten?