Rasante Evolution im Zentrum der Zellteilung

Zentromere erfüllen im gesamten Baum des Lebens die zentrale Aufgabe, die korrekte Verteilung der Chromosomen während der Zellteilung sicherzustellen. Als spezialisierte DNA-Regionen dienen sie der Zellteilungsmaschinerie als Ankerpunkt, um das Erbgut präzise auf die Tochterzellen aufzuteilen. Trotz dieser lebenswichtigen und konservierten Funktion geben ihre vielfältige Architektur – von großen DNA-Arrays bis zu minimalistischen „Punkt”-Zentromeren in der Hefe – sowie ihre rasante Evolution der Forschung seit Jahrzehnten Rätsel auf.

Ein Forschungsteam vom Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie in Dortmund und der New York University (NYU) Grossmann School of Medicine konnte dieses als „Zentromer-Paradoxon” bekannte Mysterium nun entschlüsseln. Die Forschenden identifizierten ein „Proto-Punkt”-Zentromer, das die evolutionäre Lücke zwischen den heutigen winzigen Punkt-Zentromeren und komplexeren Vorfahren schließt. Diese enthielten noch Fragmente parasitärer DNA. Diese Entdeckung zeigt erstmals den genetischen Ursprung und den Ablauf eines der dramatischsten evolutionären Übergänge auf DNA-Ebene auf.

Max Haase erläutert die neuen Erkenntnisse im Interview:

Was genau ist Ihre Entdeckung?
Unsere Arbeit erklärt, wie ein sehr wichtiger Bestandteil der Chromosomen – das Zentromer – in der Bäckerhefe entstanden ist. In Hefen sind Zentromere extrem klein und präzise definiert. Das ist eine auffällige Besonderheit im Stammbaum des Lebens, die Chromosomenbiologen seit Jahrzehnten rätseln lässt. In dieser Arbeit zeigen wir eine wahrscheinliche Zwischenstufe in ihrer Evolution und verfolgen zurück, woher die DNA für diese speziellen Zentromere ursprünglich stammt.

Warum ist das so spannend?
Wir haben bisher unbekannte Zentromere in verwandten Hefearten gefunden, die wie Zwischenstadien zwischen großen, repetitiven Zentromeren und den winzigen Zentromeren in der Bäckerhefe aussehen. Die DNA dieser Zentromere ist mit einer Klasse von „springenden Genen” (mobilen DNA-Stücken) verwandt, die als Retrotransposons bezeichnet werden. Höchstwahrscheinlich bildeten diese Elemente das Ausgangsmaterial für die evolutionäre Umgestaltung der Hefezentromere. Dies liefert eine konkrete genetische Erklärung dafür, wie die Hefe zu diesem ungewöhnlichen Zentromertyp gekommen ist.

Warum sind Ihre Ergebnisse für die wissenschaftliche Gemeinschaft wichtig?
Hefezentromere waren die ersten Zentromere, deren funktionelle DNA-Sequenz isoliert und detailliert untersucht wurde, beginnend mit den Arbeiten von Clarke und Carbon in den frühen 1980er Jahren. Dennoch blieb es ein Rätsel, wie sich solch winzige, präzise definierten Zentromere entwickelt haben könnten. Indem wir zeigen, wie eine Art von Zentromer aus einer anderen neu aufgebaut werden kann, geht unsere Arbeit dieser seit langem bestehenden Frage nach. Sie zeigt, wie parasitäre DNA-Stücke gezähmt und in DNA umgewandelt werden können, auf die sich Zellen nun stützen, um ihre Chromosomen zu organisieren. Dies liefert ein konkretes Beispiel dafür, wie ein Kernstück des Chromosoms im Laufe der Evolution vollständig umstrukturiert werden kann, indem DNA, die einst wie genomischer „Müll” aussah, einer neuen Verwendung zugeführt wird.

Was sind die nächsten Schritte, die Sie unternehmen werden?
Als Nächstes möchten wir verstehen, wie das Kinetochor – die Proteinmaschinerie, die Zentromere erkennt – solche dramatischen Veränderungen der Zentromer-DNA im Laufe der Evolution bewältigen kann. In diesem Zusammenhang beschäftigen wir uns mit der offenen Frage, wie Zentromere das Kinetochor aufbauen. Wir suchen auch nach weiteren Fällen, in denen Transposons wiederverwendet wurden, um Chromosomenstrukturen wie die Zentromere aufzubauen. Wir möchten sehen, wie häufig diese Art der Genominnovation vorkommt.

Quelle

Max-Planck-Institut für molekulare Physiologie (02/2026)