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Meiotic DNA repair in Arabidopsis thaliana
characterisation of the Arabidopsis thaliana homologues
of MND1 and COM1
Tanja Siwiec
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Dieter Schweizer
DOI
10.25365/thesis.4669
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29269.00749.162260-4
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Meiose ist eine spezielle Form der Zellteilung die den diploiden Chromosomensatz auf
einen haploiden reduziert. Zwei Kernteilungen folgen einer prämeiotischen DNA
Replikation, so dass schließlich vier haploide Tochterzellen vorliegen. Während in der
ersten meiotischen Teilung die Trennung der homologen Chromosomen erfolgt, werden
in der zweiten meiotischen Teilung die Schwesterchromatiden getrennt.
In der Meiose kommt es zum reziproken Austausch genetischer Information, ein
Prozess der homologe Rekombination genannt wird. Spo11, ein verwandtes Protein der
archeabakteriellen Topoisomeraseuntereinheit Top6A, leitet die HR durch die
kontrollierte Einfügung von Doppelstrangbrüchen ein. In der Bäckerhefe
Saccharomyces cerevisiae sind die Proteine Mre11, Rad50, Xrs2 und Com1/Sae2
essentiell um diese Doppelstrangbrüche zu prozessieren und in weitere Folge, deren
Reparatur zu ermöglichen. Die Arabidopsis thaliana Atcom1-1 Mutante ist steril.
Darüber hinaus reichert sich AtSPO11-1 während der meiotischen Prophase I an. Das
Fehlen von AtRAD51 in der Atcom1-1 Mutante deutet auf nicht reparierte
Doppelstrangbrüche hin. Die für Atcom1-1 typische DNA Fragmentierung kann durch
Mutation von AtSPO11-1 unterdrückt werden. In dieser Studie konnten wir
interessanterweise eine Interaktion von AtCOM1 mit AtNBS1, einem Protein der DNA
Reparaturmaschinerie, nachweisen. Nach erfolgter Prozessierung der
Doppelstrangbrüche dient die einzelsträngige DNA (ssDNA) als Sonde zum Auffinden
des homologen Partnerchromosoms. Für diesen entscheidenden Schritt der DNA
Homologiesuche sind mehrere Proteine nötig. Unter anderem wurde Mnd1 als eines für
den Strangaustausch essentielles Protein identifiziert. Das homologe Protein in
Arabidopsis, AtMND1, ist, gemeinsam mit AHP2, dem Homologen von Hop2 der Hefe,
wichtig für die Meiose. Weitere Proteine, wie die RecA Homologen DMC1, RAD51
und XRCC3 sind essentiell für den korrekten Austausch des genetischen Materials.
Über das Zusammenspiel dieser Proteine ist bis jetzt wenig bekannt. Das Fehlen von
AtMND1 verursacht schwere DNA Fragmentierung. Eine Akkumulierung von
AtRAD51, wie auch von AtDMC1 kann in der Atmnd1 Mutante beobachtet werden.
Dies ist auf nicht reparierte DSB zurückzuführen. Immunolokalisationsstudien zeigen
die funktionellen Unterschiede von AtRAD51 and AtXRCC3 während der Meiose auf.
AtXRCC3 ist für die Nukleoproteinfilamentbildung des AtDMC1 Proteins in einer
Atmnd1 Mutante entbehrlich, während AtXRCC3 unverzichtbar für eine effiziente
Anlagerung von AtRAD51 an die prozessierten ssDNA Enden ist.
Abstract
(Englisch)
Meiosis is a specialized nuclear division characteristic for sexually reproducing
eukaryotes. Each diploid progenitor generates four genetically different haploid cells
proceeding through two successive nuclear divisions that follow a single round of
genome replication. This process relies on meiotic homologous recombination (HR) that
establishes a physical connection between pairs of homologs and allows the correct
alignment of bivalents. Moreover, genetic diversity is generated by the exchange of
DNA sequences between maternal and paternal chromosomes.
Homologous recombination is initiated by programmed DNA double strand breaks
(DSBs) catalyzed by Spo11, a homologue of the archaebacterial topoisomerase subunit
Top6A. In Saccharomyces cerevisiae, Mre11, Rad50, Xrs2 and Com1/Sae2 are
essential to process these DSBs. Arabidopsis thaliana Atcom1-1 mutants are sterile,
accumulating AtSPO11-1 during meiotic prophase and failing to form AtRAD51 foci,
indicative for un-processed DSBs. Furthermore, DNA fragmentation seen in Atcom1-1
mutants is suppressed in the absence of AtSPO11-1, pointing to a defect in DSB repair.
In accordance with data in other organisms, we found that AtCOM1 interacts with
AtNBS1, a protein which is involved in the early steps of DNA repair.
After processing of DSBs, a single stranded DNA molecule recognizes and invades the
homologous sequence. Many proteins are involved in this crucial step of homology
search. Among others Mnd1 has been identified as one of the key players in the strand
invasion process. The Arabidopsis homologue, AtMND1, is essential for male and
female meiosis. Furthermore, other proteins involved in meiotic recombination can be
found in Arabidopsis thaliana, for instance the RecA related proteins DMC1, RAD51
and XRCC3. Few is known about the interplay between these proteins during meiosis.
AtMND1 promotes the strand invasion process together with AHP2, the Arabidopsis
protein closely related to budding yeasts Hop2. In the absence of AtMND1, severe
chromosome fragmentation is observed, depending on the presence of AtSPO11-1.
Moreover AtRAD51 as well as AtDMC1 foci, have been observed to accumulate on
cytological preparations of meiotic cells. They demonstrate that DNA breaks remain unrepaired.
Furthermore, immunolocalization studies provide insight into the functional
differences of AtRAD51 and AtXRCC3 during meiosis, by first demonstrating that
AtXRCC3 is dispensable for AtDMC1 nucleoproteinfilament formation in an Atmnd1
mutant background, and second that AtXRCC3 is indispensable for efficient loading of
AtRAD51.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Arabidopsis thaliana Meiose Homologe Rekombination
Autor*innen
Tanja Siwiec
Haupttitel (Englisch)
Meiotic DNA repair in Arabidopsis thaliana
Hauptuntertitel (Englisch)
characterisation of the Arabidopsis thaliana homologues
of MND1 and COM1
Publikationsjahr
2009
Umfangsangabe
156 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Dieter Schweizer ,
Raphael Mercier
Klassifikation
42 Biologie > 42.20 Genetik
AC Nummer
AC05040731
Utheses ID
4153
Studienkennzahl
UA | 091 | 441 | |