Cohesin promotes genomic stability by suppressing unequal sister chromatid exchange

In jeder lebenden Zelle ist der genetische Bauplan auf langen, fadenförmigen Strukturen namens Chromosomen gespeichert. Wenn sich eine Zelle auf die Teilung vorbereitet, erstellt sie eine exakte Kopie jedes Chromosoms, woraus zwei identische Stränge entstehen, die als Schwesterchromatiden bekannt sind. Um sicherzustellen, dass diese Kopien korrekt auf die neuen Tochterzellen verteilt werden, nutzt die Zelle eine molekulare Maschine namens Cohesin. Stellen Sie sich Cohesin wie eine Reihe winziger, flexibler Ringe vor, die die Schwesterchromatiden umschließen und sie von dem Moment an zusammenhalten, in dem sie entstehen, bis die Zelle bereit ist, sie auseinanderzuziehen. Diese Verankerung ist entscheidend, um Fehler zu verhindern, die dazu führen können, dass Zellen die falsche Anzahl an Chromosomen besitzen – ein Zustand, der mit vielen Krankheiten in Verbindung gebracht wird. Die Aufgabe des Cohesins geht jedoch über das bloße Zusammenhalten der Stränge hinaus; es fungiert auch als Wächter des genetischen Codes und stellt sicher, dass die Zelle bei der Reparatur von Schäden das korrekte Template verwendet und nicht versehentlich die DNA durcheinanderbringt.

Wissenschaftler wissen schon lange, dass Cohesin der Zelle hilft, das richtige Reparatur-Template auszuwählen, aber eine neue Studie von Forschern der University of California, Berkeley, und der University of Massachusetts Medical School enthüllt eine subtilere und kritischere Rolle. Das Team untersuchte, wie Cohesin eine spezifische Art von genetischem Fehler verhindert, den sogenannten ungleichen Schwesterchromatid-Austausch. Dieser Fehler tritt auf, wenn repetitive DNA-Sequenzen, die über das gesamte Genom verstreut sind, während der Reparatur versehentlich die Plätze miteinander tauschen. Wenn der Austausch zwischen Repeats stattfindet, die nah beieinander liegen, ist der Schaden normalerweise gering. Wenn die Repeats jedoch weit voneinander entfernt liegen, kann der Austausch massive Deletionen oder Duplikationen von genetischem Material verursachen, was potenziell Gene zerstört oder schädliche Mutationen erzeugt. Die Forscher wollten verstehen, wie Cohesin verhindert, dass diese entfernten Repeats einander finden und die Plätze tauschen.

Um diesen Prozess zu beobachten, konstruierten die Forscher Hefezellen – ein einfacher Organismus, der häufig zur Untersuchung grundlegender Biologie verwendet wird – mit einer spezifischen genetischen Falle. Sie fügten zwei gebrochene Teile eines Gens, das eine Resistenz gegen ein Antibiotikum verleiht, in denselben Chromosomenarm ein. Ein Teil wurde nahe am anderen platziert, nur 4.000 Basenpaare entfernt, während in anderen Zellen das zweite Stück viel weiter entfernt, nämlich 68.000 Basenpaare, platziert wurde. Wenn die Reparaturmaschinerie der Zelle versehentlich das entfernte Stück zur Reparatur des defekten Gens verwendet hätte, würde dies ein funktionelles Antibiotika-Resistenzgen erzeugen, welches der Zelle das Überleben auf einer Platte mit dem Wirkstoff ermöglichen würde. Durch das Zählen der überlebenden Zellen konnten die Forscher messen, wie oft diese ungleichen Austauschprozesse zwischen den nahen Repeats im Vergleich zu den entfernten Repeats stattfanden.

In normalen, gesunden Hefezellen fanden die Forscher heraus, dass die nahen Repeats etwa fünfzehnmal häufiger die Plätze tauschten als die entfernten Repeats. Dies deutet darauf darauf hin, dass etwas in der Zelle die Interaktion von DNA-Sequenzen, die weit voneinander entfernt liegen, natürlich erschwert. Das Team testete dann, was geschah, wenn die Funktion des Cohesins gestört wurde. Sie verwendeten verschiedene Mutationen, welche die Fähigkeit des Proteins schwächten, die Schwesterchromatiden zusammenzuhalten, oder die Art und Weise veränderten, wie es auf die DNA geladen wird. In diesen Mutante-Zellen stieg die Rate des Austauschs zwischen den entfernten Repeats dramatisch an und war im Vergleich zu normalen Zellen um das Vier- bis Siebenfache höher. Bemerkenswerterweise blieb die Austauschrate zwischen den nahen Repeats unverändert. Dies deutete darauf hin, dass Cohesin nicht jeglichen DNA-Austausch stoppt, sondern vielmehr spezifisch als Barriere fungiert, die verhindert, dass entfernte Sequenzen miteinander interagieren, während nahe Sequenzen frei zur Interaktion bleiben.

Die Forscher blickten dann tiefer in die physische Struktur der Chromosomen, um zu verstehen, warum diese Barriere existierte. Mithilfe fortschrittlicher Bildgebungstechniken beobachteten sie, dass die Schwesterchromatiden in normalen Zellen so eng zusammengehalten werden, dass sie sich als eine einzige Einheit bewegen. Die Cohesin-Ringe sind entlang der Chromosomenarme verteilt und bilden ein dichtes Netzwerk von Verankerungen. Diese hohe Dichte an Verankerungen schränkt die Bewegung der DNA ein und hält entfernte Abschnitte in ihren lokalen Nachbarschaften gefangen. Als die Forscher das Cohesin schwächten, vergrößerte sich der Abstand zwischen diesen Verankerungen und die Schwesterchromatiden wurden beweglicher. Die DNA-Stränge konnten nun weiter abschweifen, was es den entfernten Repeats ermöglichte, in denselben Raum zu driften und die Plätze zu tauschen. Die Studie zeigte eine direkte Korrelation: Je stärker die Cohesin-Funktion beeinträchtigt war, desto stärker trennten sich die Schwesterchromatiden und desto höher war die Rate der entfernten genetischen Fehler.

Die überraschendste Entdeckung gelang dem Team, als sie Mutationen untersuchten, die Proteine beeinflussen, die gemeinsam mit Cohesin an der Replikationsgabel arbeiten, der Stelle, an der die DNA kopiert wird. Zwei dieser Mutationen, welche die Proteine Ctf4 und Ctf18 störten, verursachten einen katastrophalen Anstieg der entfernten Austauschprozesse. In diesen spezifischen Mutanten war die Rate des entfernten Austauschs nicht nur höher, sondern hundertmal höher als in normalen Zellen; zudem wurden die entfernten Repeats wahrscheinlicher im Austausch als die nahen Repeats, was das normale Muster umkehrte. Die Forscher fanden heraus, dass diese Mutationen das Cohesin nicht nur schwächten, sondern den Prozess der DNA-Replikation vom Prozess des Zusammenhaltens der Schwesterchromatiden zu entkoppeln schienen. Diese Entkopplung schuf eine seltsame, abnormale Struktur, in der die Schwesterchromatiden so fehlgesteuert waren, dass entfernte Repeats in unmittelbare Nähe gerückt wurden, was sie zu primären Zielen für Fehler machte.

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Cohesin die genomische Stabilität nicht nur dadurch aufrechterhält, dass es Chromosomen für die Teilung zusammenhält, sondern indem es die interne Struktur der Schwesterchromatiden organisiert, um die Bewegungsfreiheit der DNA einzuschränken. Indem es die Stränge in kurzen Abständen fest verankert, stellt Cohesin sicher, dass die Reparaturmaschinerie bei einem DNA-Schaden auf die unmittelbare Nachbarschaft beschränkt bleibt und die korrekte, passende Sequenz direkt neben dem Bruch findet. Wenn dieses Verankerungssystem beeinträchtigt ist, werden die DNA-Stränge zu mobil, was es den entfernten, repetitiven Sequenzen ermöglicht, zu kollidieren und genetisches Material auszutauschen, was zu großflächigen Deletionen und Duplikationen führt. Diese Arbeit legt nahe, dass die präzise Kopplung der DNA-Replikation und der Cohesin-Ladung essenziell ist, um diese strukturellen Fehler zu verhindern, und bietet eine neue Erklärung dafür, wie Zellen die Integrität ihres genetischen Codes gegen das Chaos repetitiver DNA bewahren.