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Timing ist alles: Forscher beschreiben genetisches Schaltwerk bei der Keimzellentwicklung

Nummer 047/2018 vom 16. April 2018
Der Fadenwurm C. elegans ist ein wahres Organisationstalent: Die nur einen Millimeter kleinen Tierchen leben gerade einmal zwei bis drei Wochen – nur vier Tage davon sind sie geschlechtsreif. Trotzdem schaffen sie es in dieser kurzen Zeit, mehr als 300 Nachkommen zu zeugen. Damit dieses anspruchsvolle Entwicklungsprogramm optimal funktioniert, müssen in ihren Zellen zahlreiche Prozesse synchronisiert werden. Genetiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) haben einen zentralen Signalweg entschlüsselt, der diese vielen Prozesse steuert. Ihre Studie erschien kürzlich in der internationalen Fachzeitschrift "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS).

Für die Fortpflanzung muss C. elegans Keimzellen bilden, also männliche Spermien und weibliche Eizellen. Diese entstehen aus undifferenzierten, teilungsfähigen Stammzellen. "Keimzellen sind besonders, da sie keinen doppelten Chromosomensatz enthalten und nicht mehr teilungsfähig sind", sagt Prof. Dr. Christian R. Eckmann, Entwicklungsgenetiker und Heisenberg-Professor an der MLU. Bei der Bildung der Keimzellen müssen ganz verschiedene Programme gleichzeitig ablaufen: "Einerseits muss bei der Zellteilung das Erbgut der Ausgangszellen halbiert werden. Andererseits muss auch eine sexuelle Differenzierung in weiblich oder männlich stattfinden. Dafür sind umfangreiche Umbauarbeiten in den Zellen nötig", so Eckmann weiter. Diese Prozesse müssen alle nahtlos ineinandergreifen, damit sich die Zellen korrekt entwickeln können. Das Ganze kann man sich wie in einem extrem komplizierten Uhrwerk vorstellen, bei dem zahlreiche Zahnräder ineinandergreifen.

Gesteuert werden diese Prozesse durch RNA-bindende Proteine. Sie regulieren außerhalb des Zellkerns, im Zytoplasma, welche Gene aktiviert werden. Um aus einer Stamm- eine Keimzelle werden zu lassen, müssen zwei spezielle RNA-bindende Proteine zerstört und das genetische Programm der Zelle umgestellt werden. Wie, wann und warum in der Zelle das Signal dafür gegeben wird, war bisher unklar. Die Forscher aus Halle haben jetzt herausgefunden, dass der bereits bekannte MAP-Kinase-Weg dafür eine zentrale Rolle spielt. "Über diesen Signalweg wird eine Protein-Abbau-Kaskade in Gang gesetzt, die letztlich die beiden Ziel-Proteine CPB-3 und GLD-1 erkennt und zerstört", fasst Eckmann zusammen.

Die Genetiker der MLU konnten zeigen, dass dieser Prozess bereits in einer sehr frühen Phase der Meiose abläuft und im zeitlichen Einklang mit der sexuellen Ausdifferenzierung der Keimzellen steht. Die Prozesse sind also optimal aufeinander abgestimmt. "Das Besondere bei diesen Abläufen ist, dass hier bereits bekannte, evolutionär gesehen sehr alte Moleküle zum Einsatz kommen, die im Kontext der normalen Zellteilung als Unterdrücker von Tumorbildung aufgefallen sind. In C. elegans sind diese Moleküle neu verschachtelt worden. Die Prozesse wurden adaptiert und zeitlich so koordiniert, dass eine optimale und schnelle Produktion von Keimzellen ermöglicht wird", so Eckmann. Grundsätzlich gehen die Forscher davon aus, dass dieselben Prozesse auch in anderen, noch komplexeren Organismen beobachtet werden können - wenn auch nicht in einer derart komprimierten Form.

Zur Publikation:
Edyta Kisielnicka, Ryuji Minasaki, Christian R. Eckmann (2018). "MAPK signaling couples SCF-mediated degradation of translational regulators to oocyte meiotic progression". PNAS, doi: 10.1073/pnas.1715439115

 

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