Wie Hefezellen genetische Infektionen erkennen

Fremdes genetisches Material erkennen und unschädlich machen

  • Hefezellen verschieben bei der Teilung unerwünschtes Genmaterial in die Mutterzelle, damit die unbelasteten Tochterzellen eine neue Population aufbauen können. (Bild: Univ. Basel/SNI/Nano Imaging Lab)Hefezellen verschieben bei der Teilung unerwünschtes Genmaterial in die Mutterzelle, damit die unbelasteten Tochterzellen eine neue Population aufbauen können. (Bild: Univ. Basel/SNI/Nano Imaging Lab)

ETH-Forscher entdecken an einer überraschenden Stelle in Hefezellen einen neuen Mechanismus, mit welchem die Zellen fremdes genetisches Material – sei es von Pathogenen oder Kontaminationen aus der Umwelt - erkennen und unschädlich machen.

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 bekämpfen zu können.

Von Eukaryoten war hingegen nicht bekannt, ob sie über vergleichbare Mechanismen einer auf zellulären Ebene autonom agierenden Immunabwehr verfügen. Die Forschung nahm zwar an, dass auch einfache eukaryotische Zellen solche Mechanismen haben könnten, wusste aber nicht welche. Dies wurde bislang auch nicht näher untersucht.

Schlüsselposition bei DNA-Kompaktierung

Forscher um Yves Barral, Professor für Biochemie der ETH Zürich, haben nun aber genau hingeschaut – und wurden bei Hefezellen fündig. In diesen einzelligen Pilzen entdeckten sie einen bis dato unbekannten Immunmechanismus, der an einem überraschenden Ort wirkt: am Zentromer der Chromosomen. Die Wissenschaftler publizierten ihre Erkenntnisse in der Fachzeitschrift Cell.

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 befördern. Damit ist eine gleichmässige Verteilung des genetischen Materials auf Mutter- und Tochterzelle gewährleistet.

Barral und seine Kollegen zeigen nun auf, dass das Zentromer eine Schlüsselstellung 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 virenähnlicher DNA oder DNA-Ringen von Zeit zu Zeit in eine Zelle eingeschleust wird, oder Chromosomen ohne Zentromer können hingegen nicht kondensieren. Infolgedessen kann sich auch kein Kinetochor anlagern, sodass die Andockstelle für Spindelfasern fehlt.

Während der Zellteilung wird nicht-kondensiertes Genmaterial erkannt und aktiv in einer der beiden künftigen Tochterzellen, welche die Forscher als Mutterzelle bezeichnen, zurückbehalten. Damit bleibt fremde Erbsubstanz in der Mutterzelle, die Tochterzelle erhält nur arteigenes Genmaterial, und zwar wie vorgesehen die Hälfte alle Chromatiden.

In der Mutterzelle reichert sich mit der asymmetrischen Teilung DNA an, die für den Organismus wertlos ist, was sie schneller altern und sterben lässt. Damit stellen die Hefezellen sicher, dass potenziell schädliche Erbsubstanz nicht in der Population verbleibt. Die Tochterzellen können durch viele weitere Teilungen eine Population aufbauen, die nur bewährte DNA enthält.

Zentromere evolvieren rasch

Die Forschung hat in den vergangenen Jahren überraschenderweise festgestellt, dass Zentromere von Art zu Art sehr unterschiedlich sind. «Eigentlich müsste man annehmen, dass sich eine solch zentrale und wichtige Struktur im Lauf der Entwicklungsgeschichte kaum verändert und daher bei allen Arten sehr ähnlich sein sollte», erklärt Barral.

Das ETH-Forschungsteam liefert dafür nun eine mögliche Erklärung: «Der Grund für die rasche Evolution von Zentromere könnte das Wettrüsten zwischen Wirt und Pathogen sein», erklärt der BIochemiker. Pathogene würden sehr schnell lernen, wie sie die Kontrolle, die das Zentromer auf die Kondensation von Chromosomen ausübt, zu umgehen. Dies könnte den Druck auf den Wirtsorganismus erhöhen, das Zentromer laufend zu verändern, um so die Weitergabe fremder Erbsubstanz zu verhindern.

«Unsere Entdeckung, dass das Zentromer ein Teil der zellulären autonomen Abwehr von artfremdem Genmaterial ist, könnte erklären, warum dieser Bereich des Chromosoms bei verschiedenen Arten so unterschiedlich ist.»

Fördert Zentromer die Entstehung neuer Arten?

Konsequenzen könnten diese Erkenntnisse auch für die Entstehung von Arten haben. Wird eine Population beispielsweise durch eine geografische Barriere getrennt, könnte jede der beiden Teilpopulationen anderen Erregern ausgesetzt sein. Infolgedessen würde sich das Zentromer bei beiden verschieden entwickeln.

Sollten Individuen dieser Teilpopulationen nach einiger Zeit wieder zusammentreffen, könnte die Fortpflanzung aufgrund der nicht mehr kompatiblen Zentromere unterbunden sein. «Das ist zwar nur eine Spekulation, aber wir können uns vorstellen, dass sich die beiden Teilpopulationen nicht mehr als identische Spezies erkennen. Der Mechanismus könnte deshalb bei der Artbildung eine wichtige Rolle spielen», vermutet Barral.

Er und seine Arbeitsgruppe nehmen derzeit die Spalthefe, eine entfernte Verwandte der Bäckerhefe, unter die Lupe. Die Chromosomen der Spalthefe ähneln denjenigen von Tieren. Die Forscher möchten herausfinden, ob auch bei ihnen auf Zellebene ein solcher Abwehrmechanismus vorhanden ist. Barral sucht zudem Viren, die Pilze befallen. «In der Literatur ist dazu nichts zu finden. Da aber Hefen Pilze sind und über den nun beschriebenen Immunmechanismus verfügen, gehe ich davon aus, dass Viren auch Pilze attackieren und dabei ihre Erbsubstanz einschleusen.» Es sei wohl nur eine Frage der Zeit, bis sie solche Viren finden würden.

An der vorliegenden Studie haben Barral und seine Kollegen vier Jahre lang gearbeitet. Die Idee, dass ein Abwehrmechanismus in Hefen existiert, sei ihnen vor zehn Jahren in Zusammenhang mit der Erforschung des Alterns dieser Mikroorganismen erstmals gekommen. «Offensichtlich besteht eine Verknüpfung zwischen der Alterung und der Abwehr von Pathogenen», sagt der Forscher. Deren DNA werde wie überflüssige Proteine auch in der alternden Mutterzelle entsorgt. «Die neue Arbeit suggeriert, dass verschiedene Puzzleteile, die wir in den letzten Jahren erarbeitet haben, tatsächlich zusammenpassen.»

Originalpublikation:

Kruitwagen T, Chymkowitch P, Denoth-Lippuner A, Enserink J, Barral Y.: Centromeres License the Mitotic Condensation of Yeast Chromosome Arms, Cell, Vol. 175; Issue 3 (2018) DOI: 10.1016/j.cell.2018.09.012

Weitere Informationen:

ETH Zürich

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