Arbeitsgruppe Prof. Dr. A. Schnittger
Meiose in Antheren (Foto: UHH / Prusicki)
Eine genaue Kontrolle der Zellteilung ist für alle Lebewesen von essentieller Bedeutung. Dabei muss genau überprüft werden, ob alle Voraussetzungen zur Teilung gegeben sind, z.B. die Kern-DNA komplett verdoppelt wurde, ob es DNA-Schäden gibt, oder ob das Entwicklungsprogramm eine weitere Zellteilung vorsieht, etc.. Da Pflanzen eine ganz andere Entwicklungsgeschichte als Tiere und Pilze haben, hilft ein Verständnis der pflanzlichen Zellteilung, um zu beantworten, wie sich ursprüngliche Eukaryonten geteilt haben. Unsere Forschung zielt darauf ab, zu verstehen, wie sich komplexe Regulationsmechanismen entwickelt haben. Umgekehrt stellt dieses Wissen dann auch eine Basis dar, um Wachstumssteigerungen und Stress-Resistenzen zu steigern.
Die Meiose ist eine spezielle Form der Zellteilung, die die Grundlage für sexuelle Fortpflanzung legt und von fundamentaler Bedeutung für die Entstehung von Biodiversität ist. Damit ist die Meiose auch ein interessantes Ziel für biotechnologische Anwendungen. Trotz der zentralen Funktion im Lebenszyklus fast aller Eukaryonten und dem Potential für angewandte Projekte, sind von vielen wesentlichen Prozessen der Meiose die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen unklar. Hier setzt unsere Forschung ein, die sowohl auf ein Verständnis der molekularen Grundlagen zielt wie auch anwendungsbezogene und biotechnologische Aspekte beinhaltet.
Kontrolle der Mitose
Der mitotische Zellzyklus besteht aus mindestens zwei Abschnitten, einer Phase, in der die genomische DNA verdoppelt wird (S-Phase, Replikationsphase) und der Teilung der Chromosomen (M-Phase, Mitose, zu der man im weiteren Sinne auch die Zellteilung zählt). Allerdings gibt es sehr viele Varianten dieses mitotischen Zellzyklus, nicht zuletzt auch die Meiose (siehe unten), in denen es zusätzliche Phasen gibt, die Länge der Phasen variiert wird oder es auch sogar zu keiner Zellteilung kommt, so dass dann polyploide Zellen entstehen, die Vielfache des regulären DNA-Gehaltes einer Zelle beinhalten.
Unsere Arbeiten konzentrieren sich auf die Frage, wie das Voranschreiten im Zellzyklus mit der Entwicklung eines Organismus gekoppelt ist. Dabei untersuchen wir insbesondere die zentrale Maschinerie, die den Zellzyklus voranbringt. Dies sind an erster Stelle Cyclin-abhängige Kinasen (CDK, cyclin dependent kinases), deren Aktivität von Cyclin-Partnerproteinen bestimmt werden. Dazu werden die CDK-CYC-Komplexe durch weitere Faktoren kontrolliert, z.B. CDK Inhibitoren. Das Auftreten und die Menge all dieser Faktoren wird selbst wieder streng überprüft und es entsteht ein komplexes regulatives Netzwerk. Diese Netzwerkstruktur erlaubt es dann, Entwicklungs- und Umwelteinflüsse auf die Aktivität von CDK-CYC-Komplexen zu übertragen. Aus dem Vergleich dieser Netzwerke zwischen Pflanzen, Tieren und Hefen resultieren Rückschlüsse, wie sich Regulationsmechanismen entwickelt haben.
Kontrolle der Meiose
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| Prozessverlauf der Meiose |
In der Meiose werden viele Regeln einer üblichen (somatischen) Zellteilung (Mitose) außer Kraft gesetzt. Dadurch dass in der Meiose zwei Zellteilungsereignisse ohne eine dazwischen liegende DNA Replikationsphase ablaufen, wird der Chromosomensatz auf die Hälfte reduziert. Dies erlaubt die Wiederherstellung eines typischerweise doppelten Chromosomensatzes nach dem Verschmelzen der Keimzellen und stellt somit die Kontinuität des Kern-DNA-Gehaltes in jeder Generation sicher.
Zusätzlich wird durch eine zufällige Verteilung von je einem der beiden elterlichen homologen Chromosomen und durch einen Austausch zwischen den homologen Chromosomen biologische Variation erzeugt. Interessanterweise können dabei die Austauschraten und die Stellen des Austausches im Genom stark variieren und sind oft auch vom Geschlecht abhängig.
Trotz der zentralen Funktion im Lebenszyklus fast aller Eukaryonten und dem Potential für angewandte Projekte, sind von vielen wesentlichen Prozessen der Meiose die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen jedoch noch unklar, z.B. wie es zu unterschiedlichen Crossover-Raten entlang eines Chromosoms kommt.
In unserer Forschung konzentrieren wir uns ins besondere mit der Frage wie das Voranschreiten in der meiotischen Zellteilung kontrolliert wird. Die einzelnen Abschnitte der Meiose beinhalten sehr präzise Veränderungen der Chromosomenstruktur. Hier interessiert uns, wie die einzelnen Schritte koordiniert werden, so dass ein Abschnitt abgeschlossen ist, bevor das nächste Ereignis stattfindet. Von besonderer Bedeutung für das Voranschreiten ist die Kontrolle der meiotischen Zellzyklusmaschinerie, wie z.B. Cyclin-abhängige Kinasen und deren Cyclin-Kofaktoren. Aufgrund unserer Arbeiten am mitotischen Zellzyklus wird auch hier eine breite Basis an Kontrollfaktoren isoliert, die auch in der Meiose eine wichtige Rolle zu spielen scheinen.