Wie stellen Zellen sicher, dass ihr Erbgut bei der Zellteilung zuverlässig an die nächste Generation weitergegeben wird? Während die dafür verantwortlichen Mechanismen bei Menschen und Bakterien bereits vergleichsweise gut untersucht sind, ist die Chromosomenverteilung bei Archaeen bislang weniger gut verstanden. Ein Forschungsteam um Professor Marc Bramkamp am Institut für Allgemeine Mikrobiologie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat nun einen bislang unbekannten Mechanismus bei dem salzliebenden Mikroorganismus Haloferax volcanii beschrieben. Ein System aus zwei Proteinen sorgt dafür, dass die zahlreichen Kopien eines Chromosoms in regelmäßigen Abständen innerhalb der Zelle positioniert werden. Damit stellen die Forschenden die bisherige Annahme infrage, dass die Verteilung des Erbguts bei diesem Organismus weitgehend dem Zufall überlassen bleibt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift Nature Communications.
Bereits vor rund 150 Jahren erforschte der Kieler Wissenschaftler Walther Flemming, wie Chromosomen während der Zellteilung verteilt werden. Seine Arbeiten legten einen Grundstein für das heutige Verständnis der Vererbung. Doch bis heute ist nicht vollständig geklärt, wie unterschiedliche Organismen ihr Erbgut zuverlässig an ihre Nachkommen weitergeben.
Bei Menschen sorgt ein komplexer molekularer Apparat dafür, dass jede Tochterzelle einen vollständigen Chromosomensatz erhält. Bakterien nutzen dafür andere, inzwischen vergleichsweise gut untersuchte Systeme. Archaeen sind wie Bakterien einzellige Mikroorganismen ohne Zellkern, unterscheiden sich von ihnen jedoch in wesentlichen molekularen Eigenschaften. Evolutionär sind sie besonders interessant, da die Eukaryoten, zu denen auch der Mensch gehört, aus einer archaeellen Abstammungslinie hervorgegangen sind.
Eine besondere Herausforderung stellt sich bei H. volcanii. Sein Genom besteht aus einem Hauptchromosom und mehreren kleineren, sekundären Chromosomen. Zudem ist der Organismus polyploid: Eine einzelne Zelle enthält zahlreiche Kopien ihres Erbguts. Während des Wachstums können etwa 20 Kopien des Hauptchromosoms vorliegen.
Bisher nahm man an, dass diese hohe Kopienzahl eine zufällige Verteilung der Chromosomen bei der Zellteilung ermöglicht. Denn wenn viele Kopien vorhanden sind, erscheint es wahrscheinlich, dass beide Tochterzellen auch ohne einen speziellen Verteilungsmechanismus genügend genetisches Material erhalten. Doch Zufall und gleichmäßige Verteilung sind nicht dasselbe.
Warum eine zufällige Verteilung nicht gleichmäßig sein muss
Der Unterschied lässt sich anhand einer Pizza veranschaulichen: Werden Oliven zufällig darauf gestreut, können sie sich an manchen Stellen häufen, während andere Bereiche leer bleiben. Selbst wenn insgesamt viele Oliven vorhanden sind, ist damit nicht garantiert, dass jedes Pizzastück welche erhält. Werden sie dagegen in regelmäßigen Abständen angeordnet, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass alle Stücke gleichmäßig belegt sind.
Ein ähnliches Prinzip haben die Kieler Forschenden nun bei H. volcanii entdeckt. Das neu identifizierte Proteinsystem HpaAB sorgt dafür, dass DNA-gebundene Proteinkomplexe in regelmäßigen Abständen innerhalb der Zelle positioniert werden. Diese räumliche Organisation wird als „Equipositioning“ bezeichnet.
„Wir sind bisher davon ausgegangen, dass die vielen Chromosomenkopien eine zufällige Verteilung ermöglichen. Unsere Ergebnisse zeigen nun, dass die Zelle offenbar nichts dem Zufall überlassen muss: Sie besitzt ein aktives System, das die Kopien eines Chromosoms gezielt in regelmäßigen Abständen positioniert. Das war eine überraschende Entdeckung“, erklärt Kartikeyan Premrajka, Erstautor der Studie und Doktorand in Bramkamps Arbeitsgruppe Mikrobielle Biochemie und Zellbiologie.
Zwei Proteine sorgen für Ordnung
Im Mittelpunkt der Entdeckung steht das Proteinsystem HpaAB, das die räumliche Organisation eines der sekundären Chromosomen steuert. Es besteht aus zwei Proteinen mit unterschiedlichen Aufgaben: einem DNA-Bindeprotein, das spezifische Regionen des Chromosoms erkennt, und einem ATP-abhängigen Motorprotein, das für die regelmäßige Positionierung der DNA-Proteinkomplexe innerhalb der Zelle erforderlich ist.
Bemerkenswert ist die evolutionäre Herkunft der beiden Komponenten. Während das Motorprotein mit bakteriellen Proteinen verwandt ist, handelt es sich bei seinem Partner um ein archaeelles DNA-Bindeprotein. Gemeinsam bilden sie ein funktionelles System zur Organisation des Erbguts.
Mithilfe hochauflösender Einzelmoleküllokalisations-Mikroskopie, aufgrund ihrer hohen Auflösung auch Nanoskopie genannt, konnten die Forschenden zeigen, dass die DNA-assoziierten Proteinkomplexe in regelmäßigen Abständen innerhalb der Zelle angeordnet sind. Fehlt das Motorprotein, geht diese Ordnung verloren und die Komplexe verteilen sich weitgehend zufällig. Weitere genetische Untersuchungen zeigen, dass beide Proteine zur stabilen Erhaltung des sekundären Chromosoms beitragen.
Die Ergebnisse belegen damit, dass die räumliche Organisation des untersuchten Chromosoms nicht allein dem Zufall überlassen bleibt, sondern durch einen aktiven molekularen Mechanismus gesteuert wird.
Ein Ordnungssystem für unterschiedliche Zellformen
Eine weitere Besonderheit von H. volcanii ist seine variable Zellgestalt. Während die Zellen in frühen Wachstumsphasen häufig stäbchenförmig sind, nehmen sie später eine flache, scheibenförmige und teilweise unregelmäßige Form an.
Bei stäbchenförmigen Bakterien erfolgt die Chromosomenverteilung häufig entlang der Längsachse der Zelle. Für eine flache, scheibenförmige Zelle ist eine solche eindimensionale Organisation jedoch nicht ausreichend. Hier muss das Erbgut über eine Fläche verteilt werden, während die spätere Teilungsrichtung variieren kann.
Das HpaAB-System bietet dafür eine mögliche Lösung: Statt die Chromosomen ausschließlich zu den Zellpolen zu transportieren, sorgt es für eine annähernd gleichmäßige Positionierung der DNA-assoziierten Komplexe innerhalb der Zelle.
„Besonders spannend ist, dass H. volcanii seine Zellform im Laufe des Wachstums stark verändern kann. Ein System, das Chromosomenkopien gleichmäßig im Zellraum positioniert, könnte hier einen entscheidenden Vorteil bieten: Es funktioniert möglicherweise auch dann zuverlässig, wenn die Zelle keine feste Teilungsachse besitzt“, erläutert Dr. Marius Ortjohann, ebenfalls aus der Forschungsgruppe Mikrobielle Biochemie und Zellbiologie.
Die Forschenden vermuten daher, dass die gleichmäßige räumliche Positionierung zur zuverlässigen Weitergabe des Erbguts beitragen kann, auch wenn sich Zellform und Teilungsrichtung verändern.
Neue Erkenntnisse mit Potenzial für synthetische Zellen
Die Entdeckung erweitert das Verständnis darüber, wie Mikroorganismen ihr Erbgut organisieren und an nachfolgende Generationen weitergeben. Sie zeigt zugleich, dass selbst bei Organismen mit zahlreichen Chromosomenkopien aktive molekulare Ordnungssysteme eine wichtige Rolle spielen können.
„Wir haben einen Mechanismus entdeckt, der zeigt, wie vielfältig die Lösungen der Natur für ein grundlegendes biologisches Problem sind: die zuverlässige Weitergabe des Erbguts. Besonders interessant ist für uns, dass hier zwei Proteine unterschiedlicher evolutionärer Herkunft zusammenarbeiten. Solche einfachen, aber wirkungsvollen molekularen Systeme könnten langfristig auch für die Entwicklung synthetischer Zellen interessant werden“, fasst Professor Marc Bramkamp zusammen, der an der CAU auch die Kiel University Light and Electron Microscopy Bioscience Facility (KLEM) im Rahmen des Forschungsschwerpunkts Kiel Life Science (KLS) leitet.
Mehr als ein Jahrhundert nach Walther Flemmings grundlegenden Beobachtungen zur Zellteilung in Kiel zeigt die neue Studie damit, dass die Frage nach der zuverlässigen Verteilung der Chromosomen noch immer überraschende Antworten bereithält.
(Christian-Albrechts-Universität zu Kiel)
Originalpublikation:
Kartikeyan Premrajka, Ulrike Johnsen, Holger Preidel, Jascha Wienberg, Chiara Corleis, Marius Ortjohann, Giacomo Giacomelli, Marc Bramkamp (2026): Equipositioning of Chromosomes in the Polyploid Archaeon Haloferax volcanii by HpaAB. Nature Communications
Published online: 30 October 2026 https://doi.org/10.1038/s41467-026-78993-w
