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Genomstruktur und -funktion, Dr. Renate Schmidt
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Genomstruktur und -funktion, Dr. Renate Schmidt

Die Arbeitsgruppe um Dr. Renate Schmidt beschäftigt sich mit vergleichender Genomanalyse und den Regulationsmechanismen, die zur Abschaltung (Silencing) von Genen führen.

Vergleichende Genomanalyse in Pflanzen

Zur Untersuchung der Mechanismen von Bedeutung für die Evolution pflanzlicher Genome nutzen wir den Ansatz der vergleichenden Genomanalyse. Polyploidie (Vervielfachung des Chromosomensatzes) ist ein weit verbreitetes Phänomen im Pflanzenreich, daher sind wir besonders daran interessiert herauszufinden auf welche Weise Polyploidie die pflanzliche Genomstruktur und die Genexpression beeinflusst. Als Modellorganismen dienen uns Ackerschmalwand (Arabidopsis thaliana), Raps (Brassica napus), Kohl (Brassica oleracea) und Rötliches Hirtentäschel (Capsella rubella).

Gen-Silencing

Viele Mechanismen der Genregulation beruhen auf Wechselwirkungen von Proteinen mit bestimmten DNA-Sequenzen. Daneben sind epigenetische Inaktivierungsphänomene beschrieben worden. Es handelt sich hierbei um Regulationsmechanismen, die nicht unmittelbar durch eine bestimmte Basenabfolge der DNA-Sequenz vermittelt werden sondern sich durch räumliche Anordnung der DNA im Zellkern oder durch Veränderungen der Transkripthaltbarkeit ergeben.

Eine Inaktivierung von Genen, die nicht auf der Veränderung der DNA-Sequenzen beruht, wird beispielsweise beim Studium transgener Pflanzen beobachtet. Transgene Pflanzen sind Pflanzen, in die ein Gen oder Genabschnitt künstlich eingefügt wurde. Inaktivierung oder Silencing eines Gens erfolgt entweder durch Unterbinden der Transkription (Ablesungsvorgang) oder durch Abbau der gebildeten Transkripte. Einige Silencing-Phänomene zeigen große Ähnlichkeiten mit pflanzlicher Virusabwehr. Dies ist nur ein Hinweis, dass epigenetische Effekte nicht nur für Transgene beobachtet werden, sondern auch bei der natürlichen Genregulation in Pflanzen eine wichtige Rolle spielen.

Die verantwortlichen Mechanismen aufzuklären ist notwendig, da die Inaktivierung von Transgenen die Nutzung von transgenen Pflanzen in Forschung und Biotechnologie limitiert. Eine systematische Analyse der Transgenausprägung in Arabidopsis thaliana erlaubte es uns erstmals eindeutig zu bestimmen, in welchem Ausmaß Zahl und Anordnung von Transgenkopien, ihre Position im Genom und die Natur des Transgens zu Unterschieden in der Transgenausprägung beitragen und/oder die Stilllegung von Genen auslösen. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass die Unterschiede in der Transgenausprägung transgener Pflanzen überwiegend darauf beruhen, dass große Transkriptmengen das Abschalten (Silencing) auslösen. Die Erzeugung stabil hoch exprimierender transgener Pflanzen kann gewährleistet werden, zieht man die erzielten Ergebnisse bei der Analyse transgener Pflanzen in Betracht. Damit leistet das Projekt einen Beitrag zum effektiven Einsatz transgener Pflanzen in Forschung und Biotechnologie.




Inaktivierung von Transgenen Inaktivierung von Transgenen.

Die Ausprägung grüner Fluoreszenz wurde in Blattrosetten von Pflanzen festgehalten, die drei oder vier Kopien des Gens für das grün-fluoreszierende Protein (GFP) unter der Kontrolle eines Promotors trugen, der hohe Expression in allen Pflanzenteilen vermittelt. Durch Einbringen weiterer Genkopien wurde die Transgeninaktivierung ausgelöst. In diesen Pflanzen war grüne Fluoreszenz nicht nachweisbar. Die rote Fluoreszenz, die in diesen Pflanzen zu erkennen ist, wird durch Chlorophyll hervorgerufen.




Ausbreitung der Transgeninaktivierung kleinAusbreitung der Transgeninaktivierung

Tritt bei GFP-exprimierenden Pflanzen (a) die Transgeninaktivierung auf, so beginnt dies als lokales Ereignis (b) wobei Ort und Zeitpunkt der Inaktivierung selbst bei genetisch identischen Pflanzen unterschiedlich sind. Silencing breitet sich mit der Zeit aus (c, d), so dass ganze Blätter (e) und schließlich die gesamte Pflanze betroffen sind. Dieser Prozess kann Tage bis Wochen dauern.




Inaktivierung reversibelDie Transgeninaktivierung ist reversibel

Die unter (b) und (c) gezeigten Schoten transgener Arabidopsispflanzen wiesen Inaktivierung der GFP-Transgene auf, die Samen in der geöffneten Schote (c) zeigten jedoch GFP-Fluoreszenz und somit die Reaktivierung der GFP-Transgene in den Nachkommen. Zum Vergleich ist unter (a) die Schote einer Pflanze mit hoher und stabiler GFP-Expression gezeigt.




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