Epigenetik

Wie die DNA verpackt wird

Die Kondensation der DNA beinhaltet eine dramatische Umstrukturierung des zwei Meter langen DNA-Fadens zu einem 1,5 Mikrometer im Durchmesser umfassenden Chromosom. Bild vergrößern
Die Kondensation der DNA beinhaltet eine dramatische Umstrukturierung des zwei Meter langen DNA-Fadens zu einem 1,5 Mikrometer im Durchmesser umfassenden Chromosom.

Das Ganze darf man wohl als Informationsmanagement bezeichnen. Angesichts der ungeheuren Größe und Komplexität des Genoms höherer Organismen eine absolute Notwendigkeit – aber auch Grundlage für Weiterentwicklung: Schließlich müssen bei höher entwickelten Organismen zig verschiedene Zelltypen koordiniert und aufrechterhalten werden. Derzeit arbeiten die Forscher intensiv daran, die biochemischen Grundlagen dieser epigenetischen Steuerung zu enthüllen. Einer der Regelvorgänge, so hat sich herausgestellt, setzt am "Verpackungsmaterial" der DNA an. Nur durch geschickte Verpackung ist es überhaupt möglich, den zwei Meter langen DNA-Faden im Zellkern unterzubringen. Dazu wird der Faden wie bei einer Spule um Millionen von Proteinen, die Histone, herumgewickelt und diese dann perlschnurartig aneinander gereiht. So wird die DNA 10.000fach komprimiert. Die "Perlen", Nucleosomen genannt, bestehen jeweils aus einem Komplex von acht Histonproteinen und einem 147 Basenpaare langen doppelsträngigen DNA-Stück. Aufgrund ihrer grundlegenden Funktion beim Packen der DNA gehören Histone zu den am stärksten konservierten Proteinen überhaupt, d.h. sie sind über weite Strecken der Evolution nahezu unverändert geblieben: So unterscheidet sich das Histonprotein H4 von Erbse und Kuh in nur zwei der 102 Aminosäure-Positionen.

Die eingangs erwähnten, kleinen chemischen Markierungen sitzen an Proteinschwänzen der Histone und ragen aus den "Nucleosom-Spulen" heraus. Sie kontrollieren zahlreiche Eigenschaften des Chromatins, jenes DNA-Protein-Komplexes, aus dem die Chromosomen bestehen. Damit Enzyme die Erbgut-Informationen lesen und abschreiben können, muss die betreffende DNA-Region für sie zugänglich sein. Zugang finden sie jedoch nur, wenn die Erbsubstanz – beispielsweise durch Acetylierung dieser Histonschwänze – in lockerer Form als sogenanntes Euchromatin vorliegt. Die zusätzlich angehängten Acetylgruppen heben nämlich die positiven Ladungen der Histonschwänze auf. So können die negativ geladenen DNA-Moleküle nicht mehr hinreichend neutralisiert werden; es kommt zu einer Destabilisierung der Chromatinstruktur. Auch eine Phosphorylierung der Histonschwänze verändert durch zusätzliche negative Ladungen den Packungszustand des Chromatins und erleichtert das Ablesen bestimmter DNA-Regionen.

Durch Reduktion der Acetylgruppen oder auch eine Methylierung der Histone nimmt dagegen die Packungsdichte des Chromatins zu. Damit sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass eine DNA-Sequenz abgelesen wird und so ihre Funktion ausüben kann. Die Forscher bezeichnen solche Bereiche als Heterochromatin. In einer typischen Säugerzelle liegen etwa zehn Prozent des Genoms dauerhaft als Heterochromatin vor (konstitutives Hetrochromatin). Besonders konzentriert findet es sich im Bereich der Telomere (die "Schutzkappen" an den Chromosomenenden) und der Centromere, wo es eine wichtige Rolle bei der Trennung der Chromosomen während der Zellteilung spielt. Indem die Zelle bestimmte genetische Abschnitte in Heterochromatin verpackt, kann sie diese "stilllegen" und somit ihr Genom beispielsweise gegen die Übernahme durch "parasitäre" mobile Elemente (sogenannte Transposons) schützen. Sie kann aber auch gerade nicht benötigte Gene, die in anderen Zelltypen durchaus aktiv sein können, auf diese Weise epigenetisch ausschalten.

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