In der Welt der Zellbiologie spielt die präzise Steuerung der Zellteilung eine entscheidende Rolle für die korrekte Verteilung genetischer Informationen auf Tochterzellen. Eine Schlüsselstruktur, die in diesem Prozess eine zentrale Rolle einnimmt, ist der Kinetochor-Proteinkomplex. Aktuelle Forschungsergebnisse des IPK Leibniz-Instituts für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung haben gezeigt, dass kleine Proteine aus der SUMO-Familie (Small Ubiquitin-related Modifiers) eine wesentliche Funktion im Zusammenhang mit dem Kinetochor der Modellpflanze Arabidopsis thaliana haben.
Der Kinetochor ist ein komplexes Proteinstruktur, die sich am Zentromer eines Chromosoms bildet. Diese Struktur ist entscheidend für die korrekte Bewegung der Chromosomen während der Mitose, da sie als Anheftungsstelle für die Spindelfasern fungiert. Diese Fasern ziehen die Chromosomen zu den entgegengesetzten Polen der Zelle, wodurch die genetische Information gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt wird. Ein zentrales Protein in diesem Zusammenhang ist KINETOCHORE NULL2 (αKNL2), das eine wichtige Funktion beim Aufladen des zentromeren Histons H3 (CENH3) auf die Zentromere hat und somit für den Aufbau des Kinetochors verantwortlich ist.
Die Forschungsgruppe am IPK hat herausgefunden, dass eine Vielzahl von Proteinen, einschließlich der SUMO-Proteine, notwendig ist, um die Funktion des Kinetochors zu regulieren. SUMO-Proteine können kovalent an andere Zielproteine gebunden werden, was als SUMOylierung bezeichnet wird. Diese Modifikation beeinflusst verschiedene Aspekte der Proteinfunktion, wie Stabilität, Lokalisierung und Interaktionen mit anderen Proteinen. Die Fähigkeit der SUMO-Proteine, die Aktivität ihrer Zielproteine zu modulieren, ist von großer Bedeutung für die feine Abstimmung zahlreicher zellulärer Prozesse.
In der aktuellen Studie identifizierten die Forscher mehrere Proteine, die mit αKNL2 interagieren und Teil des SUMOylierungswegs sind. Dies lässt darauf schließen, dass die Funktion von αKNL2 durch die SUMO-Modifikation reguliert wird. „Wir haben entdeckt, dass αKNL2 durch SUMO-Proteine modifiziert wird, und haben die Auswirkungen dieser SUMOylierung auf seine Funktion untersucht“, erklärt Manikandan Kalidass, der Erstautor der Studie.
Durch eine Kombination aus biochemischen Experimenten und computergestützten Analysen konnten die Wissenschaftler spezifische Bindungsstellen für SUMO-Proteine im C-terminalen Bereich von αKNL2 kartieren. Im weiteren Verlauf der Untersuchung wurde analysiert, welche Konsequenzen es hat, wenn diese Bindungsstellen verändert werden und die SUMOylierung von αKNL2 beeinträchtigt ist. „Die SUMO-Stellen auf αKNL2 sind entscheidend für die normale Funktion des Proteins. Wenn die SUMOylierung gestört ist, zeigen die Pflanzen Wachstums- und Fruchtbarkeitsprobleme“, stellt Dr. Inna Lermontova, die Leiterin der Forschungsgruppe „Kinetochore Biology“, fest.
Auf zellulärer Ebene führt eine verminderte SUMOylierung zu einer geschwächten Interaktion zwischen αKNL2 und CENH3, was die Stabilität des Kinetochors beeinträchtigt und zu Fehlern bei der Chromosomentrennung führt. Dies hat letztlich negative Auswirkungen auf die Entwicklung der Pflanze und unterstreicht die wichtige Rolle, die dieser Regulationsmechanismus für die Funktion von αKNL2 in Arabidopsis thaliana spielt.
Die Ergebnisse dieser Studie tragen dazu bei, unser Verständnis darüber, wie SUMOylierung die Funktion von Proteinen während der Chromosomensegregation reguliert, zu erweitern. Diese Erkenntnisse könnten auch für ähnliche Mechanismen in anderen eukaryotischen Organismen von Bedeutung sein. Die Forschung am IPK demonstriert somit die vielfältigen und komplexen Interaktionen innerhalb zellulärer Netzwerke und hebt die essenzielle Rolle kleiner Proteine wie SUMO für die Aufrechterhaltung der genetischen Integrität hervor.
