Catenated DNA Enforces Sister Chromatid Cohesion

Jedes Mal, wenn sich eine menschliche Zelle teilt, um zwei neue Zellen zu erschaffen, muss sie eine Leistung extremer Präzision vollbringen: Sie muss ihr genetisches Material, die DNA, in zwei perfekt identische Hälften spalten. Dieser Prozess, bekannt als Mitose, ist der Motor des Wachstums und der Reparatur im Körper. Wenn die Maschinerie versagt, könnten die resultierenden Zellen zu viele oder zu wenige Chromosomen erhalten, ein Zustand, der als Aneuploidie bezeichnet wird. Dieses Ungleichgewicht ist ein Kennzeichen von Krebs und kann zu Entwicklungsstörungen führen. Um dieses Chaos zu verhindern, verlässt sich die Zelle auf einen molekularen Kleber namens Cohesin-Komplex. Dieses ringförmige Protein hält die zwei neu kopierten DNA-Stränge, die sogenannten Schwesterchromatiden, fest zusammen – vom Moment ihrer Entstehung bis zum allerletzten Augenblick der Teilung. Jahrzehntelang glaubten Wissenschaftler, dass dieser Protein-Kleber die einzige Kraft sei, die die Schwestern zusammenhält, und dass in dem Moment, in dem die Zelle bereit zur Teilung sei, ein Enzym einfach den Kleber zerschneiden würde, damit die Schwestern durch das interne Skelett der Zelle auseinandergezogen werden können.

Eine neue Studie von Forschern der Universität Kopenhagen stellt diese lang gehegte Sichtweise jedoch in Frage. Sie entdeckten, dass der Protein-Kleber allein nicht ausreicht, um die Schwestern gegen die gewaltigen Zugkräfte der Zelle zusammenzuhalten. Stattdessen sind die beiden DNA-Stränge auch physisch miteinander verschlungen, wie die Glieder einer Kette. Diese Verknäuelungen, bekannt als Catenane, fungieren als ein sekundäres, physisches Schloss, das neben dem Protein-Kleber arbeitet. Die Forscher fanden heraus, dass selbst wenn der Protein-Kleber geschnitten wird, die Schwestern sich nicht trennen, solange diese DNA-Verknäuelungen intakt bleiben. Erst wenn die Maschinerie der Zelle diese DNA-Verbindungen entwirrt, können die Schwestern endlich auseinandergehen. Diese Entdeckung legt nahe, dass die Zelle ein Dual-Lock-System (Doppelschlosssystem) verwendet, um sicherzustellen, dass das genetische Material niemals vorzeitig gespalten wird – eine Erkenntnis, die unser Verständnis darüber, wie Zellen ihre genetische Stabilität aufrechterhalten, grundlegend verändert.

Die Geschichte dieser Entdeckung beginnt mit einem Rätsel, das in der Zellbiologie schon seit geraumer Zeit besteht. Wenn Wissenschaftler Zellen kurz vor der Teilung unter einem Mikroskop betrachten, sehen sie oft die zwei Schwesterchromatiden sehr eng beieinander liegen, fast berührend, in einer Konfiguration, die wie ein Gleispaar aussieht. Selbst wenn der Protein-Kleber, der sie zusammenhält, unter bestimmten experimentellen Bedingungen geschnitten wurde, fliegen die Schwestern nicht wie erwartet auseinander. Sie bleiben hartnäckig verbunden. Diese Beobachtung veranlasste die Forscher zu der Hypothese, dass etwas anderes sie zusammenhalten muss. Sie vermuteten, dass die DNA-Stränge selbst ineinander verschlungen sind. Stellen Sie sich zwei lange, flexible Seile vor, die viele Male umeinander gewickelt wurden; selbst wenn man das Band durchschneidet, das sie nebeneinander hält, werden die Windungen selbst sie verbunden halten, bis man sie aktiv entwirrt. In der Zelle sind diese Windungen die Catenane, und die Forscher machten es sich zur Aufgabe zu beweisen, dass sie essenziell dafür sind, die Schwestern zusammenzuhalten.

Um diese Idee zu testen, konstruierten die Wissenschaftler menschliche Zellen, die eine spezielle Version des Cohesin-Proteins tragen. Diese Version enthielt eine spezifische Schwachstelle, die durch ein maßgeschneidertes Enzym namens TEV-Protease geschnitten werden konnte. Die Forscher züchteten diese Zellen und führten dann das Enzym ein, um den Cohesin-Kleber zu schneiden, während sich die Zellen mitten in der Teilung befanden. In Zellen, in denen die DNA-Verknäuelungen natürlich aufgelöst werden durften, trennten sich die Schwestern unmittelbar nach dem Schneiden des Klebers, was bestätigte, dass das Enzym funktionierte. Die Forscher wählten jedoch einen anderen Ansatz. Sie isolierten die Chromosomen aus diesen Zellen und schnitten den Kleber in einem Reagenzglas durch, jedoch ohne die natürliche Maschinerie der Zelle zur Entwirrung der DNA. Selbst nachdem der Kleber vollständig zerstört worden war, blieben die Schwesterchromatiden aneinander kleben. Sie trennten sich erst, als die Forscher eine mechanische Kraft ausübten, wie etwa kräftiges Schütteln, oder wenn sie ein Enzym hinzufügten, das die DNA selbst schneiden konnte. Dieses Experiment lieferte den ersten direkten Beweis dafür, dass der Protein-Kleber allein nicht ausreicht, um die Schwestern gegen physischen Stress zusammenzuhalten; die DNA-Verknäuelungen leisten hier die Schwerstarbeit.

Die Forscher untersuchten diese Verknäuelungen anschließend genauer innerhalb lebender Zellen. Sie identifizierten Strukturen, die sie „Schwester-Zentromer-Verbindungen“ nannten, welche die physischen Verbindungen zwischen den zwei Hälften des Chromosoms an deren zentralem Punkt darstellen. Mittels hochauflösender Bildgebung beobachteten sie, dass diese Verbindungen mit einem spezifischen Protein namens PICH beschichtet waren, das dafür bekannt ist, an gedehnte DNA zu binden. Sie fanden auch heraus, dass ein Enzym namens Topoisomerase II, welches für das Entwirren der DNA verantwortlich ist, an diesen Stellen präsent war. Entscheidend war, dass sie beobachteten, dass diese Verbindungen nur verschwanden, wenn das interne Skelett der Zelle, der Spindelapparat, mit Kraft an den Chromosomen zog. Als die Forscher die Aktivität des Entwirrungsenzyms mit einem Medikament namens ICRF-193 blockierten, weigerten sich die Schwestern sich zu trennen, selbst nachdem der Protein-Kleber geschnitten worden war. Das Medikament sperrte die DNA-Verknäuelungen im Grunde fest und verhinderte so die Teilung der Zelle. Im Gegensatz dazu verhinderte ein anderes Medikament, das die DNA temporär bricht, aber eine Wiederverbindung ermöglicht, die Trennung nicht. Dies bewies, dass die physische Integrität der DNA-Verknäuelungen und nicht nur die Anwesenheit des Enzyms der entscheidende Faktor war.

Die Studie untersuchte auch, was passiert, wenn die Zelle gezwungen ist, zu lange in der Mitte der Teilung zu verharren. Normalerweise, wenn eine Zelle in dieser Phase feststeckt, nutzt sich der Protein-Kleber schließlich ab – ein Phänomen, das als Kohäsionsermüdung bekannt ist – und die Schwestern trennen sich vorzeitig. Die Forscher fanden heraus, dass die Zellen, wenn sie das Entwirrungsenzym blockierten, viel länger in dieser Warteschleife verbleiben konnten, ohne dass die Schwestern auseinanderfielen. Die DNA-Verknäuelungen fungierten als ein Backup-System, das die Schwestern noch lange nach dem Versagen des Protein-Klebers zusammenhielt. Umgekehrt stellten sie fest, dass die Schwestern viel schneller als üblich auseinandergingen, wenn sie ein Medikament verwendeten, das die DNA-Verknäuelungen schwächte. Dies bestätigte, dass die Verknäuelungen nicht nur ein passives Nebenprodukt der DNA-Replikation sind, sondern eine aktive, kraftresistente Komponente der Zellteilungsmaschinerie.

Der vielleicht beeindruckendste Beweis kam aus einem Experiment, bei dem die Forscher ein molekulares Werkzeug namens CRISPR verwendeten, um die DNA gezielt an den Stellen zu schneiden, an denen diese Verknäuelungen bekanntlich entstehen. Sie zielten auf eine spezifische DNA-Sequenz ab, die sich im Zentrum der Chromosomen befindet. Als sie diese DNA schnitten, während der Protein-Kleber bereits entfernt worden war, trennten sich die Schwestern sofort, selbst als das Entwirrungsenzym blockiert war. Dies zeigte, dass die physische Verbindung der DNA selbst die letzte Barriere war, die die Schwestern zusammenhielt. Sobald diese Barriere durchbrochen wurde, konnten die Schwestern den Zugkräften der Zelle nicht mehr widerstehen.

Die Auswirkungen dieser Arbeit sind bedeutend für unser Verständnis der Funktionsweise von Zellen. Sie legen nahe, dass die Zelle ein redundantes, zweiteiliges Sicherheitssystem entwickelt hat, um sicherzustellen, dass Chromosomen nicht zu früh aufspalten. Der Protein-Kleber bietet ein reguliertes, chemisches Schloss, das zum richtigen Zeitpunkt ausgeschaltet werden kann, während die DNA-Verknäuelungen ein physisches Schloss bieten, das den immensen Kräften während der Teilung widersteht. Die Zelle löst dieses zweite Schloss erst dann, wenn sie bereit ist, indem sie die Zugkraft der Spindel nutzt, um das Entwirrungsenzym zu seiner Arbeit zu führen. Wenn dieses System versagt, kann die Folge eine ungleiche Verteilung der Chromosomen sein, was ein primärer Treiber von Krebs ist. Indem sie die DNA-Catenation als einen kritischen, aktiven Akteur in diesem Prozess aufzeigten, haben die Forscher eine langjährige Annahme auf ihrem Gebiet korrigiert. Sie haben gezeigt, dass die Trennung der Schwesterchromatiden nicht bloß ein Akt des Durchschneidens eines Proteinrings ist, sondern ein komplexes mechanisches Ereignis, bei dem der physische Zustand der DNA selbst eine entscheidende Rolle spielt. Dieses neue Modell hilft zu erklären, warum manche Zellen sich nicht korrekt teilen, und bietet eine neue Perspektenz auf die grundlegende Mechanik des Lebens.