Während der mitotischen und meiotischen Zellteilung binden die Spindelfasern die Chromosomen an einer spezielle Region, dem Zentromer, und ziehen die Schwesterchromatiden auseinander, damit jede Tochterzelle das gleiche Erbgut erhält. Das Zentromer besteht aus zentromerischer DNA und einem Multiproteinkomplex, dem Kinetochor. Das Kinetochor sorgt für die korrekte Verteilung der Chromosomen auf die beiden Tochterzellen und damit für die Stabilität des Genoms und die korrekte Funktion der auf diesem liegenden Gene in eukaryotischen Organismen.
Die beiden Proteine KNL2 und CENP-C sind entscheidend für die korrekte Trennung der Chromosomen während der Zellteilung. Dazu docken sie nach dem „Schlüssel-Schloss-Prinzip“ präzise an die zentromerische DNA an. Die bereits bekannten Abschnitte der beiden Proteine, die sogenannten CENPC-k/CENPC-Motive, reichen jedoch alleine nicht aus, um eine Verbindung zum Zentromer herzustellen. Sie können in einem ersten Schritt zunächst nur das Zentromer erkennen. „In unserer Studie konnten wir am Beispiel der Modellpflanze Arabidopsis thaliana zeigen, dass für eine Verbindung zusätzlich sogenannte DNA-Bindungsregionen erforderlich sind, die neben den bereits bekannten Motiven der Proteine liegen“, erläutert Dr. Inna Lermontova, Leiterin der Arbeitsgruppe „Kinetochor-Biologie“ am IPK. „Diese Bindungsregionen sind essenziell für die Bindung an das Zentromer und damit für die Interaktion der Proteine mit der zentromeren DNA“, sagt Surya Prakash Yalagapati, Erstautor der Studie.
„Diese Ergebnisse vertiefen unser Verständnis der Zentromer-Architektur und eröffnen neue Möglichkeiten in der synthetischen Biologie und im Chromosomen-Engineering“, betont Dr. Inna Lermontova. Fragmente mit CENPC/CENPC-k-Motiven und DNA-bindenden Regionen können genutzt werden, um Proteine, die die Zentromer-Chromatinstruktur verändern, präzise an Zentromere zu bringen. Damit liefert die Studie neue Einblicke in die Mechanismen der Zentromerbildung und die Funktion des Kinetochor-Komplexes. „Langfristig könnte dieser Ansatz die Pflanzenzüchtung voranbringen, indem die Erzeugung doppelhaploider Linien optimiert und der Züchtungsprozess beschleunigt werden“, so die IPK-Forscherin.
Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung
Originalpublikation:
Yalagapati et al. (2024): Centromeric localization of KNL2 and CENP-C proteins in plants depends on their centromere-targeting domain and DNA-binding regions. Nucleic Acids Research. DOI: 10.1093/nar/gkae1242, https://doi.org/10.1093/nar/gkae1242
