Flexibel durch das Leben – dank schwankender Chromosomenzahl
Bäckerhefe ist ein beliebter Testorganismus in der Biologie. Hefen sind in der Lage, einzelne Chromosomen reversibel zu vervielfachen und sich damit auf variable Umweltbedingungen einzustellen. Diesen von Biologen als Aneuploidie bezeichneten Vorgang haben Wissenschaftler des Luxembourg Centre for Systems Biomedicine (LCSB) der Universität Luxemburg in Kooperation mit Kollegen des US-amerikanischen Institute for Systems Biology (ISB) in Seattle nun systematisch unter genetischen Gesichtspunkten untersucht.
Die Hefe Saccharomyces cerevisiae, die normalerweise als Einzelzelle vorkommt, ist auch in der Lage Zellverbände zu bilden, weil sie einzelne Chromosomen vervielfachen kann.
(c) LCSB
Die neuen Erkenntnisse des Teams machen es möglich, Aneuploidie – deren Auftreten bei mehrzelligen Organismen in Verbindung mit bestimmten Erkrankungen bekannt ist – in Zukunft unter medizinischen Aspekten neu zu bewerten. Erschienen sind die Ergebnisse jetzt in dem Wissenschaftsjournal PNAS.
Chromosomen sind Molekülkomplexe, die aus dem Erbmaterial DNA und Proteinen zusammengesetzt sind. Sie werden vor einer Zellteilung verdoppelt und dann auf die Tochterzellen verteilt. Der Zellteilungszyklus dauert bei Hefezellen nur 1,5 Stunden – Hefe hat also eine sehr schnelle Generationenfolge. Sie ist dadurch in der Lage, sich veränderten Umweltbedingungen gut anzupassen. Dabei kann die Hefe Saccharomyces cerevisiae, die normalerweise als Einzelzelle vorkommt, in einen vielzelligen Zustand übergehen: Sie bildet Zellverbände, die arbeitsteilig organisiert sind, in denen also verschiedene Zellen unterschiedliche Aufgaben übernehmen. „Bisher war unbekannt, was die genetischen Grundlagen für diese Veränderung des äußeren Erscheinungsbildes der Hefe sind“, sagt Dr. Alexander Skupin, der auf Seiten des LCSB maßgeblich am Kooperationsprojekt beteiligt ist.
Genaue genetische Analysen haben nun gezeigt, dass die Hefezellen bis zu sechs ihrer insgesamt 16 Chromosomen bei der Zellteilung individuell vervielfachen und diese Vervielfachung auch wieder rückgängig können. „Der Aufbau von Zellverbänden und der Wechsel zwischen verschiedenen Formen der Zellverbände wird durch die reversible Aneuploidie viel flexibler und läuft schneller ab, als wenn zufällige Mutationen in den Genen dafür erforderlich wären“, sagt Skupin: „Die Verdoppelung eines einzelnen Chromosoms reicht aus, um die Hefe aus einem eher flachen Zellverband in eine Erscheinungsform zu überführen, die wir als `flauschig´ bezeichnen.“
Reduzieren die Zellen die Anzahl dieses spezifischen Chromosoms wieder – etwa weil sich die Umweltbedingungen erneut gewandelt haben – werden sie wieder zu einem flachen Zellverband. „Die Flexibilität der Hefezellen kommt also nicht durch die Aktivität oder Inaktivität eines einzelnen Gens zustande“, erklärt die Projektleiterin am ISB, Dr. Aimée Dudley. Vielmehr sei die Gendosierung in Abhängigkeit von der Chromosomen¬zahl dafür verantwortlich: „Ist das Chromosom vervielfacht, werden auch mehrere Kopien desselben Gens abgelesen. Dadurch hat es einen stärkeren Effekt, als wenn es nur einmal auf einem Chromosom in der Zelle aktiv ist“, so Dudley. Die Zellen können sich schnell wandeln.
Welche molekularen Mechanismen aus der Aktivität eines auf vervielfachten Chromosomen abgelesenen Gens resultieren, wollen die Wissenschaftler jetzt untersuchen: „Erst dann können wir im Detail verstehen, wie die unterschiedlichen Zellverbände entstehen“, sagt Skupin.
Die medizinische Tragweite der neuen Erkenntnisse erläutert LCSB-Direktor Prof. Dr. Rudi Balling: „Bei mehrzelligen Organismen ist Aneuploidie schon lange bekannt. Ein bekanntes Beispiel ist das Down-Syndrom, bei dem das 21. Chromsom oder Teile davon dreifach vorliegen. In letzter Zeit wurde das Phänomen aber auch bei Krebszellen beobachtet und in Zusammenhang mit der Entwicklung des Gehirns gebracht. Wegen der schnellen Generationsfolge der Hefe können wir diese als Modellorganismus benutzen – und die Mechanismen der Aneuploidie viel genauer im Hinblick darauf untersuchen, ob sich daraus neue Ansätze für Diagnose und Therapie menschlicher Krankheiten ergeben.“
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