Ohne DREAM kein Nachwuchs

Ein Proteinkomplex der normalerweise Gene bremst, könnte, laut neuen, in Science Advances veröffentlichten Forschungsergebnissen, auch eine entscheidende Rolle bei der Fortpflanzung von Pflanzen spielen. DREAM scheint in der Ackerschmalwand während der Meiose offenbar Gene zu aktiveren, die für den Austausch genetischen Materials wichtig sind. Wenn der Komplex fehlt, ist die Entwicklung der Fortpflanzungsorgane gestört und die Fruchtbarkeit stark eingeschränkt.

Während der Meiose, müssen Chromosomen präzise verteilt werden. Dafür braucht es Gene und Proteine, welche zur richtigen Zeit am richtigen Ort und in der richtigen Konzentration vorhanden sind. Der gesamte Prozess muss daher streng reguliert werden.

Im Zuge ihrer Doktorarbeit an der Universität Hamburg untersuchte die Molekularbiologin und Postdoktorandin am Institute of Science and Technology Austria (ISTA), Hasibe Tunçay, welche molekularen Regulatoren diesen Prozess in der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana, A. thaliana) steuern.

Dabei rückte der DREAM-Komplex in den Fokus. Da verwandte DREAM-Komplexe auch die Fortpflanzung bei Tieren beeinflussen, könnten diese neuen Erkenntnisse auf einen evolutionär konservativen Mechanismus hindeuten, der der Fruchtbarkeit vieler Organismen zugrunde liegt.  

Die Forschungsarbeit entstand in Zusammenarbeit mit der Universität Paris-Saclay, der Fudan University und der South China Agricultural University.

Zellteilung ist nicht gleich Zellteilung

In Organismen mit sexueller Fortpflanzung gibt es zwei grundlegende Arten der Zellteilung: Mitose und Meiose.

Bei der Mitose entstehen aus einer Zelle zwei weitgehend identische Tochterzellen. Dieser Prozess ist wichtig für die Entwicklung und das Wachstum eines Organismus sowie der Erneuerung und Instandhaltung von Gewebe.

Die Meiose führt zur Bildung der Keimzellen, den Fortpflanzungszellen mit halbiertem Chromosomensatz. Erst bei einer Befruchtung wird der vollständige Chromosomensatz wieder hergestellt. 

Damit die Meiose gelingt müssen Gene zur richtigen Zeit aktiviert sein, um in RNA transkribiert zu werden. Diese RNA kann anschließend als Vorlage für Proteine dienen, die zur Durchführung des Prozesses benötigt werden.

Zwar ist die Meiose ein klassisches Lehrbuch-Thema, wie genau diese aber in Pflanzen auf transkriptioneller Ebene reguliert wird, ist immer noch nicht geklärt. Molekulare Schalter, sogenannte Transkriptionsfaktoren, müssen für diesen Prozess erst identifiziert werden.

Tunçay machte sich genau das als Aufgabe. Ihr Modell die Ackerschmalwand.

Der DREAM-Komplex

Die Untersuchung der Genregulation während der Meiose war technisch schwierig, da die meiotischen Zellen tief in der Pflanze liegen und nur in kleinen Mengen isoliert werden können.

Trotz dieser Einschränkungen konnten Tunçay und ihre Kolleg:innen  einen wichtigen molekularen Schalter identifizieren: den DREAM-Komplex.

Der DREAM-Komplex ist ein Transkriptionsfaktor-Komplex, der auch bei uns Menschen vorkommt. In somatischen Zellen, also jene die sich durch Mitose vervielfältigen, agiert DREAM hemmend auf die Genexpression. Er wird eingesetzt, um beispielsweise den Zellzyklus zu stoppen, wenn es im Zuge dessen zu Fehlern kommt und ein Schaden behoben werden muss.

Tunçays Forschung zeigt nun, dass DREAM in Pflanzen offenbar noch eine weitere Rolle hat.

DREAM weckt Gene

„Wir untersuchten Mutanten, also Pflanzen denen Teile des DREAM-Komplexes fehlen und stellten fest, dass die Pollen- und Samen-Produktion nicht richtig funktionierte“, erklärt Tunçay. „Für mich war nun klar, dass DREAM in Pflanzen auch für die Fortpflanzung wichtig ist, offenbar indem es die Genexpression während der Meiose reguliert.“

Tunçay identifizierte das Gen MER3 welches vom DREAM-Komplex aktiviert wird. Das entstehende Protein MER3 spielt eine wichtige Rolle für den für die Meiose essenziellen Crossover-Prozess.

Beim Crossover in der Meiose verbinden sich die väterlichen und mütterlichen Chromosomen und es kommt zu einem Austausch von genetischem Material.

„Der Mechanismus erzeugt nicht nur genetische Vielfalt, sondern hält die Chromosomen auch physisch miteinander verbunden, sodass sie sich, während der ersten meiotischen Teilung korrekt auf die Tochterzellen verteilen können“, erklärt Tunçay.

In den Mutanten, in denen der DREAM-Komplex nicht richtig funktioniert, wird MER3 nicht ausreichend transkribiert. Das hat Einfluss auf das Crossover: Die Chromosomen bleiben nicht lang genug verbunden und liegen anschließend einzeln vor.

„Man spricht dann von univalenten Chromosomen“, erklärt Tunçay.

Diese univalenten Chromosomen teilen sich anschließend fehlerhaft oder zufällig in die Tochterzellen. Das führt zu Keimzellen mit unausgeglichen Chromosomenzahl und schließlich Fruchtbarkeitsproblemen.

„Bei einigen unserer Mutanten, bei denen nur eine einzelne Komponente des DREAM-Komplexes beeinträchtigt war, war die Samenproduktion stark reduziert, die Pflanzen blieben jedoch fruchtbar“, so die Molekularbiologin. „Im Vergleich dazu produzierten Mutanten mit Veränderungen in mehreren Komponenten keine Samen, was darauf hindeutet, dass sie steril waren.“

Aber was bedeutet das für die Pflanze?

Pflanzensex

A. thaliana ist eine selbstbefruchtende zwittrige Pflanze. Sowohl männliche Staubblätter und der weibliche Stempel sitzen auf derselben Blüte. Nach der Befruchtung entwickelt sich der Fruchtknoten zur Schote, in der die Samen heranwachsen.

Ob Mutationen die Fortpflanzung beeinträchtigen, lässt sich an Pollen und Samen erkennen.

„Man kann die Blüte der Pflanze, beispielsweise, in eine Lösung eintunken. Dadurch lösen sich die Pollenkörner, welche man dann mit einer Färbung unter dem Mikroskop analysieren kann, ob sie lebensfähig sind“, so Tunçay.

„Man kann aber auch die Schote aufschneiden. Die sich darin befindende Samen lassen sich beurteilen. Nicht entwickelte oder abgestorbene Samen weisen auf Sterilität und Probleme in der Fortpflanzung hin.“

Die Ergebnisse zeigen, dass ein bekannter Regulationskomplex in der pflanzlichen Meiose eine unerwartete aktivierende Funktion übernehmen kann. Da verwandte DREAM-Systeme auch die Fortpflanzung bei Tieren beeinflussen, könnte dahinter ein evolutionär konservierter Mechanismus stecken.

Publikation:

Tunçay et al. 2026. Transcriptional control of meiotic recombination by DREAM complex components. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.aef2922

Projektförderung:

Dieses Projekt wurde durch Mittel aus dem Pro-Exzellenzia Plus Fellowship (Europäischen Union European Union, Freie und Hansestadt Hamburg) und der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (SCHN 736/16-1) gefördert.