Mechanismen der Reparatur und Replikation von Chromosomen
Frühere Studien haben darauf hingedeutet, dass Chromosomensegregation und -reparatur direkt durch zwei evolutionär konservierte Proteinkomplexe miteinander verbunden sind: Cohesin und der Smc5/6. Das EU-geförderte Projekt GENOMIC STABILITY (Genomic stability - chromosome segregation and repair) untersuchte diesen Zusammenhang zwischen molekularen Mechanismen der Genomstabilität und der Dynamik. Während der Chromosomenduplizierung wird das parentale DNA-Molekül in dem Bereich vor der Replikationsgabel positiv sehr stark spiralisiert (Superspiralisierung). Die resultierende superhelikale Spannung (ST) wird durch Topoisomerasen entfernt, die vorübergehende DNA-Brüche einführen. Die Superspiralisierung kann auch verringert werden, wenn die Gabel entlang der DNA-Helix gedreht wird. Jedoch ist über die Details des replikationsinduzierten ST-Abbaus in den linearen eukaryotischen Chromosomen wenig bekannt. Die Forscher zeigten, dass ST-Stress mit der Länge der Chromosomen von Saccharomyces cerevisiae zunimmt. Das bedeutet, dass ST auf Chromosomen-Level gehandhabt werden muss, und nicht nur innerhalb topologisch geschlossener chromosomalen Domänen. Wichtig war die Erkenntnis, dass der Smc5/6-Komplex während der DNA-Replikation auf eine von der Chromosomenlänge abhängigen Weise an Chromosomen bindet. Außerdem war das für die Auflösung der replikationsinduzierten ST in dem DNA-Molekül erforderlich. Wenn die ST nicht entfernt wird, führt das zu einer Blockade der Replikationsgabel, was wiederum das Risiko von genomischen Umlagerungen erhöht. Die Ergebnisse des Projektes ermöglichten ein Modell, bei dem Smc5/6 die ST durch Sequestrierung von Schwesterchromatid-Verschlingungen entfernt. Außerdem zeigte sich, dass die topologische Spannung mit der Größe der Hefechromosomen ansteigt und dass dies der Grund für das längenabhängige Bindungsmuster von Smc5/6 ist. Die Verbindung von Smc5/6 mit dem Chromosom wurde von dem Cohesin-Komplex gesteuert, der bis zum Zeitpunkt der Zellteilung Schwesterchromatiden anbindet. Zusammengenommen legen die Daten nahe, dass das Zusammenspiel zwischen ST, Smc5/6-Komplex und Cohesin-Komplex die Stabilität der Chromosomenstruktur und ihre korrekte Trennung während der Zellteilung steuert. Dies zeigt, dass das Phänomen der DNA-Superspiralisierung kein Hindernis ist, sondern ein wesentlicher Teil der Chromosomensegregation. Dieser Befund ist von großer Bedeutung für die Entwicklung von Krebsmedikamenten.
Schlüsselbegriffe
Chromosomenreplikation, Cohesin, Smc5/6, genomische Stabilität, superhelikale Spannung, Krebs
