title: Meiotic DNA repair in Arabidopsis thaliana
Creators: name: Siwiec, Tanja
Publisher: name: :none
Year: 2009

description: 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.
description: 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.