Forscher*innen entschlüsseln das Geheimnis der sicheren Fortpflanzung in Zellen
Jedes neue Leben beginnt nach einer genetischen Umordnung. Wenn Organismen Eizellen oder Spermien bilden, paaren sich mütterliche und väterliche Chromosomen und tauschen DNA-Abschnitte in einem Prozess aus, der als Crossing-over bezeichnet wird. Dieser Austausch ist unerlässlich: Ohne mindestens einen Austausch pro Chromosomenpaar sind die Fruchtbarkeit und eine gesunde Chromosomenzahl gefährdet. Gleichzeitig können zu viele Austausche – oder zu viele DNA-Brüche, die diese auslösen – das Genom schädigen. Wie stellen Zellen sicher, dass das Gleichgewicht genau richtig ist? Wissenschafter*innen um Joao Matos an den Max Perutz Labs der Universität Wien liefern eine Antwort in Nature.
Das Team entdeckte, dass winzige DNA-Strukturen, sogenannte Holliday Junctions, nicht nur Sprungbretter auf dem Weg zum Crossing-over sind. Stattdessen tragen sie auch zur Stabilisierung einer reißverschlussartigen Struktur bei, die als synaptonemaler Komplex bekannt ist und gepaarte Chromosomen zusammenhält. Diese Stabilität wiederum signalisiert der Zelle, keine weiteren DNA-Brüche mehr zu erzeugen, wodurch das Genom vor Schäden geschützt wird.
“Unsere Hypothese war, dass die Holliday Junctions mehr sind als passive DNA-Verbindungen”, erklärt Gruppenleiter Joao Matos: “Sie sind für den Aufbau und Erhalt des synaptonemalen Komplexes unerlässlich und sorgen dafür, dass die Chromosomen gepaart bleiben, bis das Crossing-over sich bilden kann.”
V.l.n.r.: Adrian Henggeler und Joao Matos. Image credit: © Max Perutz Labs, Universität Wien
Um diese Idee zu testen, verwendete Erstautor Adrian Henggeler Bäckerhefe als Modellorganismus, weil Hefe eine ähnliche Meiose wie in menschlichen Zellen durchläuft. Es gelang ihm, Millionen von Hefezellen genau in dem Moment “einzufrieren”, als die DNA-Verbindungen und der Chromosomenreißverschluss vorhanden waren, aber bevor der Austausch stattgefunden hat. Danach trennte er die DNA-Verbindungen mit einem im Labor entwickelten einzigartigen molekularen Werkzeug und konnte in Echtzeit die Ergebnisse beobachten.
“Einer unserer Aha-Momente war, als wir ‘live’ sahen, wie der synaptonemale Komplex in dem Moment zusammenbrach, sobald die Verbindungen entfernt wurden. Unsere Vermutung wurde bestätigt”, erklärt Adrian Henggeler. Ohne die Holliday Junctions fiel der Chromosomenreißverschluss auseinander, es bildeten sich erneut DNA-Brüche und die Meiose konnte nicht mehr korrekt ablaufen.
“Diese Studie deckt einen einfachen, aber eleganten Rückkopplungskreislauf auf”, so Joao Matos. “Sobald die Kreuzungen und der Chromosomenreißverschluss stabilisiert sind, ‚weiß‘ die Zelle, dass sie keine Brüche mehr erzeugen und die Meiose sicher fortsetzen kann.”
Nun wollen die Forscher*innen im nächsten Schritt herauszufinden, ob das gleiche Prinzip auch bei Säugetieren gilt. Wenn ja, könnte dies Aufschluss über grundlegende Mechanismen geben, die die Fruchtbarkeit schützen und die Genomstabilität über Arten hinweg aufrechterhalten.
Publikation in Nature:
Joao Matos, Adrian Henggeler, Lucija Orlic, Daniel Velikov: Holliday junction–ZMM protein feedback enables meiotic crossover assurance. 2025.
DOI: 10.1038/s41586-025-09559-x
*Source: Universität Wien