Die Körperzellen von Menschen und Tieren haben einen doppelten Chromosomensatz. Die eine Hälfte des Erbguts stammt von der Mutter, die andere vom Vater. Bei der Bildung von Samen- oder Eizellen muss dieser doppelte Chromosomensatz zu einem einfachen halbiert werden. Das geschieht in der sogenannten Reifeteilung. Dabei entstehen aus einer Zelle mit doppeltem Chromosomensatz Tochterzellen mit einfachem Chromosomensatz. Diese Halbierung ist nötig, weil bei der Befruchtung zwei Keimzellen und damit ihr Erbgut miteinander verschmelzen. Danach liegt wieder ein doppelter Chromosomensatz vor. Würde das nicht geschehen, dann würde sich die Chromosomenzahl bei der Verschmelzung der Keimzellen von einer Generation zur nächsten verdoppeln.
Damit die Chromosomen bei der Reifeteilung (Meiose) gleichmäßig verteilt werden können, müssen sich die mütterlichen und väterlichen Versionen desselben Chromosoms in einer Zelle finden und vorübergehend zusammenschließen. Das ist im riesigen Durcheinander des Zellkerns keine leichte Aufgabe. 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 – und Überraschendes herausgefunden.
Doch kein genetischer Müll
Seit längerem ist Wissenschaftler:innen bekannt, dass bei Tieren lange Abschnitte des Genoms aus sich wiederholenden DNA-Sequenzen bestehen. Expert:innen bezeichneten die Wiederholungen als Satelliten-DNA und betrachteten sie als nutzlose Junk-DNA, da sie keine Baupläne für Proteine darstellt. Auch in der Meiose schien die Satelliten-DNA keine Rolle zu spielen. Selbst wenn Forschende diese sich wiederholenden Sequenzen von nur einem Chromosom entfernten, lief die Chromosomenpaarung fehlerfrei weiter.
In der Fachzeitschrift Nature Communications [DOI-LINK] zeigten nun die ETH-Forschenden vor Kurzem, dass einzigartige Satelliten-DNA-Muster auf jedem einzelnen Chromosomenpaar wie ein Strichcode auf einem Produkt im Supermarkt helfen, dass sich die passenden Chromosomen finden.
Junk-DNA wird zum Kuppler
Die ETH-Forschenden um Jagannathan argumentieren, dass es nicht ausreicht, die Satelliten-DNA nur bei einem Chromosom zu entfernen. Wenn nur ein Strichcode zerstört wird, können sich 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 ETH-Forschenden entfernten daher den Satelliten-DNA-Strichcode bei zwei unterschiedlichen Chromosomen. Dadurch gab es zwei Paare ohne Orientierungshilfe. 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.
Leimähnliches Protein verbindet passende Chromosomen
Sich zu erkennen, ist jedoch nicht genug. Die Forschenden entdeckten weiter, dass es bei der Chromosomenpaarung auch einen molekularen Klebstoff braucht, der die beiden Partner richtig 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 oder sich durch natürliche Mutationen verändert, verklebt das Protein D1 zwei Chromosomen miteinander, die nicht zusammengehören. Die Paarung geht dann schief.
«Unsere Forschung beantwortet die Frage, wie sich die Chromosomenpaare bei der Taufliege Drosophila erkennen, damit die Meiose korrekt abläuft», sagt ETH-Professor 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.» Jagannathan ist aber jetzt schon klar geworden: «Der Begriff ‹Junk-DNA› ist nicht länger haltbar. Wir zeigen eindeutig, dass der vermeintliche Müll eine wichtige Funktion während der Meiose bei der Taufliege hat», betont er.
Mögliche Rolle bei Artbildung
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.
Geografische Trennung begünstigt Artbildung
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», sagt 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.
ETH Zürich
Originalpublikation:
Skrutl, L., Chavan, A., Sintsova, A. et al. Meiotic pairing through barcode-like satellite DNA repeats. Nat Commun17, 7633 (2026). doi.org/10.1038/s41467-026-74398-x
