Holger Puchta, Dr. rer. nat.

DNA-Rekombination im Kerngenom höherer Pflanzen

Kumulative Habilitationsschrift zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium habilitatus (Dr. rer. nat. habil.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Beschlußdatum 13.06.2000

Abstract
Die Arbeit beschreibt Eigenschaften der kovalente Neuverknüpfung von DNA Molekülen in Pflanzengenomen. Dabei wurden Untersuchungen zur extrachromosomalen sowie zur intrachromosomalen homologen Rekombination durchgeführt, die zeigten, dass im Gegensatz zu Bakterien und Hefe DNA Schäden in Pflanzen meist mittels illegitimer Rekombination repariert werden. Um die Effizienz homologer Rekombination an spezifischen Stellen zu steigern, wurde mittels der hochspezifischen Restriktionsendonuklease I-SceI Doppelstrangbrüche im Pflanzengenom induziert. So konnte homologe Rekombination an der Bruchstelle um mehrere Größenordnungen erhöht werden. Bei der Reparatur des Bruches verhalten sich die beiden Enden der DNA unabhängig voneinander, d.h. ein Ende kann mit homologer und das andere mit illegitimer Rekombination repariert werden. Bei der ausschließlichen Reparatur von Brüchen mittels illegitimer Rekombination kommt es neben Deletionen überraschenderweise auch zu Insertionen von genomischen und Transgensequenzen. All diese Vorgängen können im Wesentlichen mit einem einzigen Modell, dem "Synthesis-Dependent Strand Annealing" (SDSA) Modell, erklärt werden. Obwohl das Modell das Kopieren fast jeder Sequenz (homolog oder nicht) in den Bruch erlaubt, werden "Crossovers" vermieden. So kommt es zur Tolerierung von kleineren Veränderungen an den Bruchstellen, eine grundsätzliche Destabilisierung des hochrepetitiven Pflanzengenoms wird jedoch vermieden.

The work describes the properties of changes in covalent DNA linkage in the plant genome. The investigations on extra- and intrachromosomal homologous recombination demonstrated that most genomic damage in plants - in contrast to bacteria and yeast - is repaired via illegitimate recombination. To increase the efficiency of homologous recombination double strand breaks (DSBs) were induced with the help of the rare cutting restriction endonuclease I-SceI at specific sites in the plant genome. Thus, homologous recombination at the break site could be increased by several orders of magnitude. During the repair reaction both ends of the break are handled independently, so that one end can be repaired via homologous and the other via illegitimate recombination. If the break is repaired exclusively via illegitimate recombination besides deletion surprisingly also insertions of genomic and transgene sequences could be detected. All processes can be described in principle by the universal "synthesis-dependent strand annealing" (SDSA) mechanism of recombination. The model explains why almost any kind of sequence can be copied via homologous or illegitimate recombination into the break, however it excludes "crossovers" between donor and acceptor locus. As a result small changes at the break site are tolerated but a global destabilisation of the highly repetitive plant genome is avoided.

Keywords:
Genetik, DNA-Rekombination, DNA Reparatur, Genom, Evolution, Pflanze

genetics, DNA recombination, DNA repair, genome, evolution, plant

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