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Dr. Franziska Turck
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Zhou Y., Wang Y., Krause K., et al.
Telobox motifs recruit CLF/SWN-PRC2 for H3K27me3 deposition via TRB factors in Arabidopsis

Ein genetischer Barcode für das Abschalten der Blütengene bei der Modellpflanze Arabidopsis

Ein genetischer Barcode für das Abschalten der Blütengene bei der Modellpflanze Arabidopsis

26. April 2018

Pflanzenzellen legen ihre Blütengene mit Hilfe eines DNA-bindenden Protein still, das auch die Enden der Chromosomen stabilisiert und das Ablesen anderer Gene befeuert. Ein genetischer Barcode zeigt ihm, welche der drei Aufgaben ansteht. Protein und Barcode sind demnach ein wichtiger Vermittler epigenetischer Prägung und entscheiden mit über das Schicksal der Pflanzenzelle (Nature Genetics, doi:10.1038/s41588-018-0109-9).

Mehrzellige Organismen können nur bestehen, wenn jede Zelle weiß, was zu tun ist. Gene ohne aktuelle Funktion oder Gene, die nicht zur Bestimmung der Zelle gehören, werden in Proteinstapeln verpackt, markiert und beiseite gelegt. Dabei wird einiges für immer stillgelegt, anderes nur vorrübergehend. Die Wissenschaftler bezeichnen dieses Phänomen als epigenetische Prägung. Es besiegelt das Schicksal der Zelle. Der Stängel greift zum Beispiel nie auf das genetische Programm für das Wurzelwachstum zurück, braucht mit der Zeit aber das Programm für die Bildung von Blütenblättern, um Samen hervorzubringen. Franziska Turck vom Max Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und ihre Kollegen haben untersucht, wie Pflanzenzellen das Verpackungsmaterial an die richtige Stelle dirigieren und wie sie möglicherweise dafür sorgen, dass alle Gene, die für eine zeitlich gebundene Aufgabe gebraucht werden, bei Bedarf auch zeitgleich mobilisiert werden.

Der Proteinkomplex PRC2 methyliert spezifische Aminosäuren in Histon-Proteinen (H3K27me3), was als epigenetisches Merkmal für die Verdichtung der Chromatinstruktur dient. Teile des PRC2 werden von  TRB-Proteinen gebunden. Diese erkennen eine Nukleotidsequenz, die auch in pflanzlichen Chromosomenenden, den Telomeren, auftritt und deshalb Telobox genannt wird. Durch diese Verbindung von Teloboxen und PRC2 kontrollieren TRBs das Abschalten von Genen, die an der floralen Entwicklung beteiligt sind. Bild vergrößern

Der Proteinkomplex PRC2 methyliert spezifische Aminosäuren in Histon-Proteinen (H3K27me3), was als epigenetisches Merkmal für die Verdichtung der Chromatinstruktur dient. Teile des PRC2 werden von  TRB-Proteinen gebunden. Diese erkennen eine Nukleotidsequenz, die auch in pflanzlichen Chromosomenenden, den Telomeren, auftritt und deshalb Telobox genannt wird. Durch diese Verbindung von Teloboxen und PRC2 kontrollieren TRBs das Abschalten von Genen, die an der floralen Entwicklung beteiligt sind.

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„Wir wissen welche Proteine das Schicksal der Pflanzenzellen festzurren“, sagt Turck. „Eine wichtige Gruppe sind zum Beispiel die sogenannten Polycomb-Proteine. Diese bringen Markierungen an die Proteinstapel an, sogenannte Methylgruppen, ein Markenzeichen epigenetischer Prägung. Allerdings erkennen Polycomb-Proteine selbst keine DNA, was zu der Frage führt, wie sie für diese Aufgabe rekrutiert werden“, so die Gruppenleiterin weiter. „Wir vermuten, dass die Polycomb-Proteine über verschiedende DNA-bindende Proteine Zugang zur DNA erhalten, quasi im Huckepack. Jetzt wissen wir, über welche DNA-bindenden Proteine Arabidopsis-Pflanzen Polycomb-Proteine für die Stilllegung ihrer Blütengene rekrutieren.“

Dazu haben Turck und ihre Kollegen nach mutierten Pflanzen gesucht, die das gleiche Erscheinungsbild haben wie Arabidopsis-Pflanzen, deren Polycomb-Gene nicht mehr aktiv sind. In einem solchen Fall müssen die mutierten Proteine an der gleichen Reaktionskette beteiligt sein. Erkennen lassen sich solche Pflanzen daran, dass Entwicklungsschritte zur Unzeit durchlaufen werden. Turck und ihre Kollegen haben mutierte Arabidopsis-Pflanzen ausgewählt, die das Programm zur Bildung von Blütenblättern schon unmittelbar nach der Keimung einschalten, nicht erst, wenn der Stängel die nötige Reife dafür hat. Durch eine solche Mutation gerät die Entwicklung der Blätter früh aus dem Takt, was an allseits verkümmertem Grün zu erkennen ist.

Eine genaue Analyse zeigte, dass solche Arabidopsis-Mutanten defekte TRB-Proteine besitzen. Diese Abkürzung steht für „Telomere Repeat Binding“-Proteine und bezeichnet eine Gruppe von Eiweißen mit sehr unterschiedlichen Aufgaben. Einerseits binden TRB-Proteine an die Chromosomenenden, die sogenannten Telomeren, und stabilisieren diese, wodurch sie zur Integrität der Chromosomen und damit der gesamten Zelle beitragen. Anderseits bewirken sie, dass gewisse Gene verstärkt abgelesen werden. Gemeistert werden diese Aufgaben durch das Erkennen einer definierten DNA-Sequenz, eines sogenannten Erkennungsmotivs. Durch die lockere Anordnung dieses Erkennungsmotivs in den verschiedenen Zielgenen entsteht anscheinend eine Art genetischer Barcode, der zunächst die TRB-Proteine anzieht und dann die Polycomb-Proteine. Wenn TRB-Proteine in das Ablesen der Gene involviert sind oder dafür sorgen, dass die Telomere stabilisiert werden, wird ein anderer Barcode verwendet, der nicht mit den Polycomb-Proteinen verknüpft ist. Wie das im Einzelnen geschieht, wissen Turck und ihre Kollegen noch nicht.

Was bedeuten diese Ergebnisse für das Schicksal der Arabidopsis-Pflanzen? „Wir haben noch keine klaren Ergebnisse, aber sehr gute Konzepte, die wir im Weiteren prüfen werden“, sagt Turck. „Wir wissen, dass die Polycomb-Proteine auch andere DNA-bindende Proteine nutzen, um an die Sequenz-Bereiche heranzukommen, die stillgelegt werden sollen“, so die Gruppenleiterin weiter. „Wir vermuten, dass bestimmte Gruppen von Genen über die gleichen DNA-bindenden Proteine abgeschaltet werden und dann über einen noch unbekannten Mechanismus im Bedarfsfall auch gleichzeitig mobilisiert werden. Eine Blüte entsteht nämlich nur dann, wenn alle nötigen Gene zeitnah und koordiniert abgelesen werden, nicht nur ein Teil. Die Zellen müssen also einen Mechanismus für diese konzertierte Aktivierung haben.“

Entdeckt wurden die Polycomb-Gene in der Taufliege Drosophila. Demnach ist ihre Funktion außerordentlich konserviert. Die Studien von Turck und anderen Wissenschaftlern liefern einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der Differenzierung und Epigenetik bei der Modellpflanze Arabidopsis. Weil epigenetische Prägungen auch an die Nachkommen weitergeben werden, ist das Interesse groß, die zugrundeliegenden Mechanismen genau zu verstehen, um sie auch gezielt steuern zu können.

 
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