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High resolution mapping of protein-chromatin interactions during meiotic recombination in S. cerevisiae

Marco Mendoza

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Zentrum für Molekulare Biologie

Betreuer*in

Franz Klein

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DOI

10.25365/thesis.502

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30189.16406.875164-8

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Der Audruck Meiose bezeichnet eine spezielle Zellteilung die bei der Entstehung von Keimzellen wichtig ist. Eine diploide Elternzelle erzeugt dabei haploide Nachkommen, da eine Runde der DNA-replikation von zwei Zellteilungen gefolgt wird. Im Unterschied zur Mitose werden bei der ersten meiotischen Teilung homologe Zentromere von einander getrennt, nicht Schwesterzentromere. Durch die Bildung von Chiasmata, physischer Verbindungen zwischen den Homologen kann ein Gegengewicht zu den Mikrotubulikräften geschaffen werden, wodurch es zur Ausrichtung der Chromosomen in der Metaphaseplatte kommt. Die Entstehung von Chiasmata benötigt einerseits die Initiation der meiotischen Rekombination durch DNA Doppelstrangbrüche (DSBs) und andererseits morphologische Veränderungen wie Chromosomenkondensation, Paarung und Synapsis. Obwohl ein direkter Zusammenhang zwischen Kondensation und DSB Bildung postuliert wurde, ist es nicht bekannt, wodurch eine bestimmte Chromatinregion gebrochen wird nicht bekannt. Mit Hilfe von ChIPchip, (genom-weiter Chromatin Immunprecipitation, kombiniert mit Hybridisierung an DNA-Microarrays) konnten wir die Chromosomalen positionen mehrerer Proteine, die in der meiotischen Rekombination und Synapsis von S. cerevisiae eine Rolle spielen recht genau bestimmen. Überraschender weise lokaliseren die meisten Komponenten, die für DSB Brüche nötig sind, nicht direkt an den Bruchstellen, sondern kolokalisieren mit strukturellen Komponenten der Chromatin Organisation, wie Kohäsinen und Axialen Element Komponenten. Diese Beobachtungen deuten auf eine Rolle der dreidimensionalen Faltung des Chromosoms für die Bruchbildung in der Meiose hin. Komponenten der frühen meiotischen Reparatur, wie die des MRX Komplexes (Mre11, Rad50, Xrs2) und Com1 wurden auch nicht exklusiv an der Stelle des DSBs gefunden. Auch sie interagieren mit Kohesininteraktionsstellen. In einer Mutante (rad50S) wird allerdings die Interaktion von Com1 mit Chromatin an den DSB Stellen unterbunden, parallel zu fehlender DNA Resektion und generell defekter Reparatur in dieser Mutante. Dieses Ergebnis zeigt eine Rekrutierungsfunktion von Rad50 für Com1 an, und paßt zu neuesten Ergebnissen, die Com1 eine direkte Rolle im Prozeß der DNA Reparatur am DSB zuschreiben.

Abstract

(Englisch)

The term meiosis refers to a particular cell division involved in germ cells formation. During meiosis, the parental diploid cell generates haploid progeny, by performing one round of DNA replication followed by two cell divisions. In contrast to mitosis, the first round of meiotic cell division is characterized by the segregation of homolog chromosomes instead of sister chromatids. This is performed by formation of a physical connection between the homologous chromosomes, known as chiasma, which counteracts the forces generated by the microtubules to align the homologous chromosomes in the metaphase plate. Chiasma formation depends on two major events characteristic of meiosis: (1) DNA cleavage in the context of chromatin and its repair via the homologous chromosome and (2) the pairing and synapsis of homologous chromosomes prior to chiasma formation. Previous observations have suggested a direct connection between chromatin condensation and induction of Double-strand break (DSB) formation and repair during the meiotic recombination program; nevertheless the mechanism defining this particular interrelationship has not been elucidated so far. By performing a genome-wide approach based on Chromatin immunoprecipitation followed by hybridization to high resolution DNA microarray chips (ChIP-chip), we mapped several proteins required for meiotic recombination and synapsis of S. cerevisiae to their chromosomal positions. Contrary to expectations, components like Spo11p or Mre11p, required for DSB formation, do not exclusively localize to the chromatin cleavage sites, but in addition colocalize with components involved in chromatin organization, such as cohesins and axial element proteins. Interestingly, Spo11p localization at both DSB and cohesin sites was significantly enhanced by its Y135F catalytically dead mutation, suggesting that Spo11p localization at cohesin sites is important for forming DSBs. Furthermore, while Mre11p localization to the meiotic DSB sites requires Spo11p or Rec114p, but not DSB formation itself, its localization to cohesin sites is not impaired under these conditions. Meiotic DSB repair components, like the MRX complex and Com1, also do not localize exclusively to the site of DSB cleavage, but additionally interact with cohesin sites. Recruitment of Com1 to the DSB sites depends on Spo11p but not in the DSB formation itself. Furthermore, it is also abolished in the rad50S mutant background, but not in the mre11S or mre11-H125N mutants, distinguishing between a defective recruitment function of rad50S for Com1 and an enzymatic defect responsible for the accumulation of unrepaired meiotic DSBs in mre11S. Otherwise the phenotypes of the two different “S” mutants are indistinguishable. These findings suggest a mechanism in which the chromatin folding in vivo participates in the induction and repair of DSBs during meiosis, where the chromosome core, defined by the cohesin sites plays an essential role in the recruitment of the components involved in these processes and where the loop region prone to cleavage is interacting with components attached to the core in order to allow DSB formation.

Autor*innen

Marco Mendoza

Haupttitel (Englisch)

High resolution mapping of protein-chromatin interactions during meiotic recombination in S. cerevisiae

Paralleltitel (Deutsch)

Hochauflösende Lokalisation von Protein-Chromatin Interaktionen während der meiotischen Rekombination in S. cerevisiae

Publikationsjahr

2008

Umfangsangabe

163 S.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Jürg Kohli ,

Josef Loidl

Klassifikation

42 Biologie > 42.13 Molekularbiologie

AC Nummer

AC05036925

Utheses ID

378

Studienkennzahl

UA | 091 | 490 | |

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