Meiose bei Drosophila: Chromosomen finden ihren Partner mittels Strichcode

Spezifische, sich wiederholende DNA-Sequenzen – sogenannte Satelliten-DNA – fungieren bei Drosophila offenbar wie eine Art Strichcode, der während der Meiose dafür sorgt, dass sich die homologen Chromosomenpaare finden und gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt werden.

Die Körperzellen von Menschen und Tieren haben einen doppelten Chromosomensatz, der bei der Bildung von Samen- oder Eizellen zu einem einfachen halbiert werden muss. Diese Halbierung geschieht während der Reifeteilung (Meiose). Damit die Chromosomen jedoch gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt werden können, müssen sich die homologen Chromosomenpaare finden und vorübergehend zusammenschließen. Fehlpaarungen gilt es in der Findungsphase tunlichst zu vermeiden, um zu verhindern, dass Chromosomen nicht korrekt verteilt werden.

Wie aber finden sich die passenden Chromosomenpaare? ETH-Forschende um Madhav Jagannathan, Professor am Institut für Biochemie, und seine Doktorandin Lena Skrutl haben am Beispiel der Eizellenbildung bei weiblichen Taufliegen (Drosophila) nun untersucht, wie diese Partnervermittlung im Zellkern läuft. In der Fachzeitschrift „Nature Communications“ zeigen sie, dass einzigartige Satelliten-DNA-Muster auf jedem einzelnen Chromosomenpaar wie ein Strichcode fungieren und dabei helfen, dass sich die passenden Chromosomen finden.

„Junk-DNA“ als Matchmaker

In tierischen Zellen gibt es lange Abschnitte des Genoms, die aus sich wiederholenden DNA-Sequenzen bestehen. Diese werden als Satelliten-DNA bezeichnet und wurden zusammen mit anderen nicht proteinkodierenden DNA-Sequenzen lange Zeit als nutzlose Junk-DNA betrachtet. Auch in der Meiose schien die Satelliten-DNA keine Rolle zu spielen: Entfernten Forschende diese sich wiederholenden Sequenzen von nur einem Chromosom, lief die Chromosomenpaarung fehlerfrei weiter.

Die ETH-Forschenden um Jagannathan argumentieren, dass es nicht ausreicht, die Satelliten-DNA nur bei einem Chromosom zu entfernen. Denn so können sich immer noch alle anderen Chromosomenpaare bilden, die über intakte Satelliten-DNA-Strichcodes verfügen. Letztlich bleibt nur noch das Chromosomenpaar übrig, dessen Barcode die Forschenden entfernten. Sie finden sich wie die letzten zwei verdeckten Karten beim Memory-Spiel.

Die Wissenschaftler:innen entfernten daher den Satelliten-DNA-Strichcode bei zwei unterschiedlichen Chromosomen, wodurch es nun zwei Paare ohne Orientierungshilfe gab. Und tatsächlich: Ohne ihren Strichcode ging die Partnerwahl schief. Die Chromosomen dockten häufig an falsche Partner an. „Das zeigte uns, dass die Satelliten-DNA wie eine Erkennungshilfe funktioniert und dafür sorgt, dass sich die jeweils zusammengehörenden Chromosomen zuverlässig finden“, sagt Lena Skrutl, die Erstautorin der Studie.

Protein D1 verbindet passende Chromosomen

Sich zu erkennen, reicht allerdings nicht aus. Die Forschenden entdeckten außerdem, dass es bei der Chromosomenpaarung auch einen molekularen Klebstoff braucht, der die beiden Partner sozusagen miteinander verheiratet. Diese Rolle spielt ein Protein namens D1. Es erkennt die passenden Strichcodes auf den zusammengehörenden Chromosomen, dockt an und verklebt die beiden miteinander.

Wird jedoch das Erkennungsmuster von einem der beiden Chromosomen verändert, etwa indem ein Teil des Barcodes gelöscht wird oder sich durch natürliche Mutationen verändert, verklebt das Protein D1 mitunter auch zwei Chromosomen miteinander, die nicht zusammengehören.

„Unsere Forschung beantwortet die Frage, wie sich die Chromosomenpaare bei der Taufliege Drosophila erkennen, damit die Meiose korrekt abläuft“, so Jagannathan. Ob dieser Mechanismus universell und zum Beispiel auch beim Menschen eine Rolle spielt, ist noch nicht erforscht. „Wir haben reine Grundlagenforschung am Modellorganismus Drosophila gemacht, halten es aber für möglich, dass dieser Paarungsmechanismus auch bei anderen Arten vorkommt.“

Mögliche Rolle bei der Artenbildung

Die neuen Erkenntnisse bieten zudem eine Erklärung, wie neue Arten entstehen. Satelliten-DNA verändert sich sehr viel rascher als das übrige Genom. Solange die Individuen einer Art miteinander Nachkommen erzeugen, bleiben die Satelliten-DNA-Strichcodes durch die ständige Durchmischung des Genmaterials bei allen ähnlich. Individuen mit zu stark abweichenden Erkennungsmustern erleiden während der Meiose Defekte und können sich nicht fortpflanzen.

Wird eine Population einer Tierart jedoch räumlich getrennt, zum Beispiel weil über Jahrmillionen ein Gebirge entsteht, entwickelt sich die Satelliten-DNA in beiden Gruppen unabhängig voneinander. Treffen die beiden Gruppen nach langer Zeit wieder aufeinander, passen die Erkennungsmuster der Chromosomen nicht mehr zusammen. Die Folge: Die Tiere können sich nicht mehr fortpflanzen. Aus einer Art sind zwei geworden.

„Untersuchungen an Kreuzungen zwischen Drosophila melanogaster und ihrer Verwandten Drosophila simulans stimmen mit dieser Idee überein“, erklärt Jagannathan. Die Trennung der Arten liegt zwei bis drei Millionen Jahre zurück. Die Strichcodes ihrer Chromosomen unterscheiden sich heute so stark, dass bei Mischlingen während der Meiose massive Paarungsdefekte der Chromosomen auftreten.