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Dem Zellgedächtnis der Pflanzen auf der Spur

Heidelberger Wissenschaftler entdecken bei der Ackerschmalwand Arabidopsis einen Mechanismus, wie die Zellen Informationen über ihr genetisches Schicksal an ihre Tochterzellen weitergeben können, der dem bei Menschen vorhandenen Zellgedächtnis erstaunlich ähnlich ist.

Mit einem ähnlichen Mechanismus sorgen bestimmte Gene bei Pflanzen und beim Menschen dafür, dass Zellen Informationen über ihr genetisches Schicksal an ihre Tochterzellen weitergeben können. Diese überraschende Entdeckung haben Biologen der Universität Heidelberg bei Untersuchungen an der molekularbiologischen „Modellpflanze“ Ackerschmalwand aus der Familie der Kreuzblütler gemacht. Danach gibt es strukturelle Ähnlichkeiten zwischen zwei pflanzlichen Proteinen und einem menschlichen Protein, das beim sogenannten Zellgedächtnis mitwirkt. Damit kam das Forscherteam unter Leitung von Dr. Myriam Calonje zu neuen Erkenntnissen darüber, wie in wachsenden Geweben die Informationen über das spezifische Gen-Programm an die neuen Zellgenerationen weitergegeben werden. Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift „Current Biology“ veröffentlicht (Bratzel et al.: Keeping Cell Identity in Arabidopsis Requires PRC1 RING-Finger Homologs that Catalyze H2A Monoubiquitination, Current Biology 2010; doi:10.1016/j.cub.2010.09.046).

Links: Junge, sich normal entwickelnde Ackerschmalwand. Rechts: Ackerschmalwand, bei der die Funktionen des zellulären Gedächtnisses gestört sind. Bereits kurz nach der Keimung verwandeln sich einzelne Bereiche der Keimblätter wieder in embryoartige Strukturen zurück. © Universität Heidelberg
Ausgangspunkt der Untersuchungen war die Entdeckung einer Pflanze der Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), bei der die Funktionen des zellulären Gedächtnisses gestört waren: Die Pflanze wies eine große Zahl von Abweichungen auf, unter anderem verwandelten sich bereits kurz nach der Keimung einzelne Bereiche der Keimblätter wieder in embryoartige Strukturen zurück. Mit molekulargenetischen Untersuchungen konnten die Wissenschaftler zeigen, dass es sich dabei um sogenannte somatische Embryonen handelt, also Embryonen, die von bereits differenzierten Zellen gebildet werden. Damit wird den Tochterzellen das Schicksal der vorhergehenden Zellgeneration nicht mitgeteilt und sie starten noch einmal mit dem Entwicklungsprogramm. Die Heidelberger Forscher konnten zwei Gene ausmachen, deren Defekt für diese Störung verantwortlich ist. Dabei kodieren diese beiden Gene zwei Proteine, die strukturelle Ähnlichkeiten aufweisen mit dem humanen BMI1-Protein. Dieses Protein ist Teil eines molekularen Mechanismus, der als zelluläres Gedächtnis bezeichnet wird. „Die Mechanismen des Zellgedächtnisses der Ackerschmalwand sind denen des Menschen sehr ähnlich, auch wenn ein Teil der beteiligten Gene im Verlauf der Evolution ausgetauscht wurde", erläutert Dr. Calonje.

Kooperationspartner in Madrid haben nachgewiesen, dass das pflanzliche BMI1-Protein wie sein humaner Verwandter ebenfalls wichtige Komponenten der Erbsubstanz – sogenannte Histone – chemisch markiert. Dies hat zur Folge, dass das Gen von einem bestimmten Zeitpunkt an „abgeschaltet“ ist. Diese spezielle Markierung kann ohne Veränderung des DNA-Codes an die durch Zellteilung entstandenen Tochterzellen weitervererbt werden. Das bedeutet, dass die bei Arabidopsis gefundenen Gene es den Zellen ermöglichen, die Information über ihr genetisches Schicksal an die nächste Zellgeneration weiterzugeben. Von tierischen Zellen ist schon seit längerem bekannt, dass chemische Modifikationen der mit der DNA in den Nucleosomen komplexierten Histonproteine die Aktivierung oder Inaktivierung von Genen bewirken; man spricht hier sogar von einem Histon-Code. Es zeigte sich, dass diese Modifikationen (es handelt sich um Methylierungen, Acetylierungen und Phosphorylierungen einzelner Aminosäuren der Histonproteine durch spezifische Enzyme) manchmal über mehrere Zellteilungen hinaus an die Tochterzellen weitergegeben werden können. So kann es über einige Zellgenerationen zu einer (beschränkten und vorübergehenden) Vererbung erworbener Eigenschaften kommen. Die Untersuchung solcher epigenetischer Phänomene, die man früher nicht für möglich gehalten hätte, hat sich inzwischen zu einem wichtigen molekularbiologischen Arbeitsgebiet mit Anwendungen von der Pflanzenzucht bis hin zur Krebsforschung entwickelt.

Glossar

  • Aminosäuren sind die Bausteine der Proteine; es gibt insgesamt 20 verschiedene Aminosäuren in Proteinen.
  • Desoxyribonukleinsäure (DNS / DNA) trägt die genetische Information. In den Chromosomen liegt sie als hochkondensiertes, fadenförmiges Molekül vor.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Arabidopsis thaliana ist der wissenschaftliche Name für die Acker-Schmalwand; diese war im Jahr 2000 die erste Pflanze, deren Genom vollständig bekannt wurde. Aufgrund ihres kleinen Genoms mit 5 Chromosomenpaaren (mit ca. 25 000 Genen) ist sie eine der wichtigsten Modellorganismen der Pflanzengenetik.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Die Zelldifferenzierung bezeichnet die Spezialisierung von Zellen in Bezug auf ihre Funktion und ihre Struktur. So entstehen aus undifferenzierte Stammzellen verschiedene Zelltypen wie Herzmuskel-, Nerven- oder Leberzellen, die ganz unterschiedlich ausssehen und verschiedene Aufgaben erfüllen.
  • Ein Nukleosom ist eine Verpackungseinheit innerhalb der Chromosomen, die aus Histonen und DNA bestehen.
  • Histone sind Eiweiße, die der geordneten Verpackung der DNA-Helix in Form von Chromosomen dienen. Dabei wird die lange DNA-Helix um die Histone herum gewunden. Diese Komplexe aus DNA und Histonen werden Nukleosomen genannt und bilden die Untereinheit der Chromosomen.
  • Die Epigenetik beschäftigt sich mit den vererbbare Veränderungen in der Genexpression, die nicht auf Abweichungen in der Sequenz der DNA zurückzuführen sind.
  • Methylierung ist die Einführung von Methylgruppen in organische Verbindungen.
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