Erkennung und Korrektur von Fehlern bei der Zellteilung How cells recognize and correct errors during cell division

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1 Erkennung und Korrektur von Fehlern bei der Zellteilung How cells recognize and correct errors during cell division Hauf, Silke Friedrich-Miescher-Laboratorium für biologische Arbeitsgruppen in der Max-Planck-Gesellschaft, Tübingen Korrespondierender Autor Zusammenfassung Wenn Zellen sich teilen, wird die Erbinformation verdoppelt und während der Teilung gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt. Fehler bei der Verteilung der Erbinformation können zum Zelltod führen oder zu maligner Entartung beitragen. Am Friedrich-Miescher-Laboratorium wird mithilfe von Hefen untersucht, wie Zellen die extrem niedrige Fehlerrate bei der Verteilung der Erbinformation sicherstellen. Summary When cells divide, the genomic information is duplicated and becomes symmetrically distributed to the daughter cells during division. Errors in the distribution of the genomic DNA can lead to cell death or promote tumor growth. Researchers at the Friedrich Miescher Laboratory use yeast to examine how cells ensure the extremely low error rate in the distribution of the genomic information. Die Verteilung der Chromosomen während der Zellteilung Während der Zellteilung wird die Erbinformation auf die beiden entstehenden Tochterzellen verteilt. Dazu werden die DNA-Stränge in Chromosomen verpackt, die jeweils aus zwei Schwesterchromatiden bestehen. Die beiden Schwesterchromatiden sind genetisch identisch. Die Verteilung der Schwesterchromatiden auf die Tochterzellen erfolgt mithilfe der mitotischen Spindel (Abb. 1). Die Spindel besteht aus langen Protein- Polymeren, den Mikrotubuli, und einer Reihe von Hilfsproteinen, die unter anderem die Dynamik dieser Mikrotubuli regulieren. Mikrotubuli haben zwei verschiedene Enden, ein weniger dynamisches Minus- und ein dynamischeres Plus-Ende. Mit den Minus-Enden sind die Mikrotubuli der Spindel an den beiden Spindelpolen verankert, während die Plus-Enden in Kontakt mit den Chromosomen treten. Die Chromosomen werden derart an die Mikrotubuli angeheftet, dass die beiden Schwesterchromatiden mit entgegengesetzten Spindelpolen verbunden sind. Die eigentliche Zellteilung wird initiiert, indem die Verbindung der Schwesterchromatiden aufgelöst wird, sodass sie zu den Spindelpolen gezogen werden können [1-3] Max-Planck-Gesellschaft 1/6

2 Anheftung der Chrom osom en an die m itotische Spindel während der Zellteilung: Sich teilende Zelle während der Metaphase (A ) und Anaphase (B). Jedes Chrom osom (blau) besteht aus zwei identischen Schwesterchrom atiden, die durch einen Protein-Kom plex (Kohäsin, graue Punkte zwischen den Schwesterchrom atiden) zusam m engehalten werden. Die Chrom osom en sind über Kinetochore (rot) an die Mikrotubuli der Spindel (grün) angeheftet. Wenn die Chrom osom en korrekt angeheftet sind, sind die beiden Schwesterchrom atiden m it entgegengesetzten Spindelpolen (dunkelgrüne kleine Punkte) verbunden. In der Anaphase wird Kohäsin gespalten, sodass sich die Schwesterchrom atiden zu den entgegengesetzten Polen bewegen können. Friedrich-Miescher-Laboratorium /Hauf Der Hauptkontaktpunkt zwischen den Mikrotubuli und den Chromosomen sind die Kinetochore. Dies sind hochkomplexe Gebilde aus mehr als 50 verschiedenen Proteinen. Diese Komplexität rührt daher, dass Kinetochore nicht nur die Anheftungsstelle darstellen, sondern selbst aktiv in den Prozess der Anheftung eingreifen. Bemerkenswert ist außerdem, dass selbst Mikrotubuli, die an Kinetochore gebunden sind, weiterhin dynamisch sind, d.h. wachsen und schrumpfen können. Die Anheftung muss diese Flexibilität erlauben und dennoch ausreichend stabil bleiben. Kontrolle der Anaphase durch einen Checkpoint Da die initialen Kontakte zwischen Mikrotubuli und Kinetochoren zufällig erfolgen, kann es zu fehlerhafter Chromosomen-Anheftung kommen (Abb. 2) [4]. In fast allen sich teilenden Zellen treten solche Fehler auf, sie werden jedoch korrigiert, bevor die Zelle in der Anaphase die Schwesterchromatiden auf die Tochterzellen verteilt. Fehler in der Chrom osom enanheftung: In der frühen Mitose treten häufig Fehler in der Chrom osom enanheftung auf, die anschließend korrigiert werden. Im Gegensatz zu korrekter Anheftung (A ) können dabei beispielsweise Kinetochore von Mikrotubuli frei bleiben (B) oder Chrom osom en fehlerhaft m it beiden Kinetochoren an den gleichen Pol angeheftet werden (C). Solange Fehler in der Chrom osom enanheftung vorliegen, wird der Übergang in die Anaphase durch ein Netzwerk von Proteinen, das den m itotischen Checkpoint bildet, inhibiert. Friedrich Miescher Laboratorium /Hauf Kinasen der so genannten Aurora Familie sind unerlässlich für diese Fehlerkorrektur. Menschliche Zellen haben mehrere Aurora-Kinasen (Aurora-A, -B und -C genannt), von denen Aurora-B für diesen Prozess von 2007 Max-Planck-Gesellschaft 2/6

3 Bedeutung ist [5]. In den für die Forschung bedeutsamen Hefen (Bäckerhefe und Spalthefe) findet man hingegen nur eine Aurora-Kinase, die benötigt wird, um fehlerhafte Anheftung der Chromosomen zu korrigieren (Abb. 3). Die Korrektur des Fehlers allein reicht aber noch nicht aus, um die korrekte Verteilung der Schwesterchromatiden zu gewährleisten. Es muss gleichzeitig sichergestellt sein, dass die Zelle die Anaphase nicht einleitet, solange noch Fehler präsent sind (Abb. 2). Man nennt diesen Kontrollmechanismus einen Checkpoint. Auch an diesem Checkpoint sind Aurora(-B)-Kinasen beteiligt. Zellen, in denen Aurora inhibiert wurde, gehen daher in die Anaphase über, selbst wenn Anheftungsfehler nicht korrigiert wurden (Abb. 3 C). Die Inaktivierung der Aurora Kinase führt dazu, dass Fehler nicht korrigiert werden. (A ) Die Chrom osom enverteilung während der Zellteilung in Spalthefe kann in lebenden Zellen verfolgt werden, wenn die Spindelpole und eines der Chrom osom en m it Fluoreszenzfarbstoffen m arkiert sind. In der linken Bildhälfte sind schem atisch solche Spalthefen m it Zellkern in verschiedenen Stadien der Zellteilung gezeigt. Die Vorgänge werden m ithilfe von,kym ographen dargestellt. Dabei wird in aufeinander folgenden Bildern die Region der m itotischen Spindel ausgeschnitten (links m it einem kleinen Rechteck m arkiert). Diese Bilder werden aneinander gefügt, um den zeitlichen Ablauf sichtbar zu m achen (rechte Bildhälfte). (B) Kym ograph einer sich norm al teilenden, genetisch nicht veränderten Zelle. (C) Kym ograph einer sich teilenden Zelle, in der die Aurora-Kinase Ark1 inaktiviert wurde. Aufgrund von fehlerhafter Anheftung an die Mikrotubuli befindet sich das Chrom osom nicht in der Mitte zwischen den Spindelpolen. Diese Fehlanheftung wird nicht korrigiert, und beide Schwesterchrom atiden finden sich in der Anaphase in der Nähe des gleichen Spindelpols wieder (rechts schem atisch dargestellt). Friedrich-Miescher-Laboratorium /Hauf Die Funktion von Aurora(-B)-Kinasen während der Zellteilung Die Forscher am Friedrich-Miescher-Laboratorium interessieren sich nun dafür, wie die Aurora-Kinase die Korrektur von Chromosomen-Anheftungsfehlern bewirkt und dabei gleichzeitig die Anaphase inhibiert (Abb. 4). Gearbeitet wird mit Spalthefe (Schizosaccharomyces pombe), einem ungefährlichen, einzelligen Pilz, der ursprünglich aus afrikanischem Bier isoliert wurde. Diese Hefen lassen sich exzellent genetisch manipulieren 2007 Max-Planck-Gesellschaft 3/6

4 und bieten eine Vielzahl technischer Möglichkeiten. Da Zellteilung für das Überleben von Organismen von essenzieller Bedeutung ist, haben sich viele der beteiligten Moleküle und Prozesse über Jahrmillionen hinweg nur wenig verändert. Man kann daher annehmen, dass sich Ergebnisse aus der Spalthefe auf den Menschen übertragen lassen können. Wie wirkt Aurora, und wie wird Aurora reguliert? Die Aurora- Kinase befindet sich während der frühen Zellteilung in einer Region zwischen den beiden Kinetochoren. Sie reguliert die Anheftung der Mikrotubuli durch Phosphorylierung von Kinetochor-Proteinen. Die Details dieser Regulation sind noch nicht verstanden. Aurora korrigiert nur fehlerhafte, nicht aber korrekte Mikrotubuli-Anheftung. Es ist daher wahrscheinlich, dass die Aktivität der Kinase in Abhängigkeit von der Art der Anheftung reguliert wird. Die Forscher am Friedrich-Miescher- Laboratorium interessiert, über welchen Mechanism us die Art der Anheftung die Kinase beeinflusst. Friedrich-Miescher-Laboratorium /Hauf Der Wirkmechanismus der Aurora-Kinasen wurde bereits in einer Reihe von Organismen untersucht, und auch dabei zeigte sich, dass die grundlegenden Prinzipien dieselben sind. Aurora(-B)-Kinasen finden sich in der frühen Mitose in allen Organismen an Chromosomen gebunden, und zwar genau in der Region, die zwischen den Kinetochoren der beiden Schwesterchromatiden liegt. Aurora(-B) scheint die Anheftung der Chromosomen zu korrigieren, indem Proteine an der Schnittstelle zwischen Kinetochor und Mikrotubuli phosphoryliert werden und so deren Verbindung beeinflusst wird (Abb. 4). Keines der bislang bekannten Zielmoleküle reicht allerdings aus, um den Wirkmechanismus der Kinase zu erklären. Die Forscher am Friedrich-Miescher-Laboratorium konnten dem Repertoire der Kinase vor kurzem ein weiteres Substrat hinzufügen. Sie fanden, dass ein Mikrotubuli-bindendes Molekül der Kinesin-Familie von Aurora phosphoryliert und dadurch in seiner Funktion gehemmt wird. Dieses Kinesin ist an den Plus-Enden der Mikrotubuli und damit am Kinetochor angereichert, wo es die Dynamik der Mikrotubuli reguliert. Die Aktivität des Moleküls ist notwendig, um die Anaphase einzuleiten. Die Phosphorylierung durch Aurora führt über die Hemmung der Aktivität zu einer Inhibierung der Anaphase. In der Zukunft werden sich die Wissenschaftler darauf konzentrieren, systematisch nach weiteren Substraten der Aurora-Kinase zu suchen. Darüber hinaus wollen sie verstehen, wie die Kinase selbst reguliert ist. Aurora scheint nur auf Chromosomen aktiv zu sein, die fehlangeheftet sind, während nach korrekter Anheftung ihre Aktivität inhibiert ist. Über diese Regulation ist sehr wenig bekannt, und die Forscher am Friedrich-Miescher- Laboratorium wollen sich der Lösung mithilfe genetischer screens nähern. Medizinische Implikationen 2007 Max-Planck-Gesellschaft 4/6

5 Fehler bei der Chromosomenverteilung können fatale Folgen haben und unter anderem zum Zelltod oder zu maligner Entartung führen. Treten solche Fehler während der Keimzellbildung auf, ist eine mögliche Konsequenz, dass der durch Fusion zweier Keimzellen entstehende Embryo nicht alle oder zu viele Chromosomen besitzt. In den meisten Fällen führt dies zum Tod des Embryo, und solche Fehler sind der häufigste Grund für Fehlgeburten während der frühen Schwangerschaft [6]. Bei einem Zuviel mancher Chromosomen kann sich der Embryo zwar entwickeln, aber die Fehlfunktion der einzelnen Zellen führt zu einem klinischen Krankheitsbild. Ein bekanntes Beispiel ist das Down-Syndrom, das durch eine zusätzliche Kopie von Chromosom 21 ausgelöst wird. Das Aufklären der grundlegenden Vorgänge bei der Verteilung der Chromosomen wird dazu beitragen, zu verstehen, wie es zu solchen Fehlern kommen kann. Aurora-Kinasen spielen eine zentrale Rolle im Verhindern von Fehlern bei der Chromosomenverteilung. Sowohl die Inhibierung dieser Kinasen als auch deren Überfunktion führen zu Fehlern in der Zellteilung. Es wurde gezeigt, dass in einer Reihe menschlicher Tumoren Aurora-Kinasen überaktiv sind. In einem Experiment reichte sogar die vermehrte Aktivität einer Aurora-Kinase aus, die Zellen tumorös entarten zu lassen. Dies lässt vermuten, dass Tumorwachstum durch eine Überaktivität von Aurora-Kinasen gefördert werden kann. Im Einklang damit konnte in der Tat gezeigt werden, dass chemische Inhibitoren der Aurora-Kinasen das Tumorwachstum eindämmen können. Solche Substanzen werden daher inzwischen klinischen Tests unterzogen [7]. Die am Friedrich-Miescher-Laboratorium durchgeführten Arbeiten werden helfen, die Wirkungen (und Nebenwirkungen) dieser Substanzen zu verstehen. Originalveröffentlichungen Nach Erweiterungen suchenbilderweiterungchanneltickerdateilistehtml- ErweiterungJobtickerKalendererweiterungLinkerweiterungMPG.PuRe-ReferenzMitarbeiter (Employee Editor)PersonenerweiterungPublikationserweiterungTeaser mit BildTextblockerweiterungVeranstaltungstickererweiterungVideoerweiterungVideolistenerweiterungYouTube- Erweiterung [1] Hauf, S.; Roitinger, E.; Koch, B.; Dittrich, C. M.; Mechtler, K.; Peters, J. M. Dissociation of cohesin from chromosome arms and loss of arm cohesion during early mitosis depends on phosphorylation of SA2. Public Library of Science (PloS) Biol 3, e69 (2005) [2] Hauf, S.; Waizenegger, I. C.; Peters, J. M. Cohesin cleavage by separase required for anaphase and cytokinesis in human cells. Science 293, (2001) [3] Nasmyth, K. Segregating sister genomes: the molecular biology of chromosome separation. Science 297, (2002) [4] Hauf, S.; Watanabe, Y. Kinetochore orientation in mitosis and meiosis. Cell 119, (2004) 2007 Max-Planck-Gesellschaft 5/6

6 [5] Hauf, S.; Cole, R. W.; LaTerra, S.; Zimmer, C.; Schnapp, G.; Walter, R.; Heckel, A.; van Meel, J.; Rieder, C. L.; Peters, J.-M. The small molecule Hesperadin reveals a role for Aurora B in correcting kinetochore-microtubule attachment and in maintaining the spindle assembly checkpoint. Journal of Cell Biology 161, (2003) [6] Hassold, T.; Hunt, P. To err (meiotically) is human: the genesis of human aneuploidy. Nature Reviews Genetics 2, (2001) [7] Keen, N.; Taylor, S. Aurora-kinase inhibitors as anticancer agents. Nature Reviews Cancer 4, (2004) 2007 Max-Planck-Gesellschaft 6/6