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Chromosomen: Aufbau des Chromatins steuert Zellaktivität

Chromosomen sind mehr als passive Träger der Erbinformation - sie regulieren aktiv das An- und Abschalten der Gene. In ihrer vielfältigen Struktur verbergen sich Informationen, die die Identität der Zelle bestimmen.

1888 benutzte ein deutscher Anatom erstmals den Begriff Chromosom für Strukturen, die er im Inneren von Zellen angefärbt hatte (chroma, grch. für Farbe). Diese Färbungen enthüllten jene X-förmigen Gebilde, wie sie uns heute noch aus Schulbüchern vertraut sind.

Doch nur im Ausnahmefällen - während der Zellteilung - liegen Chromosomen in der X-förmigen, "kondensierten" Form vor. kann so in die Tochterzellen aufgeteilt werden. Am Ende der Zellteilung entfalten sich die Chromosomen und werden für das Mikroskop unsichtbar.

Ganz anders als im Schulbuch... A) Nur kurz vor der Zellteilung zeigen kondensierte Chromosomen das gewohnte Bild. B) Im Kern einer Zelle, die sich nicht teilt, haben sich die Chromosomen entfaltet (mikroskopische Aufnahme). C) Schematische Darstellung von B). (Bild: Bolzer et al., PLoS Biology 2005)

Langer Faden in winzigem Kern

Die kondensierte Struktur der Chromosomen erleichtert es, das verdoppelte Genom in die Tochterzellen aufzuteilen. Aber die Gene können in diesem Zustand nicht aktiviert werden. Daher entfalten sich die Chromosomen am Ende der Zellteilung wieder - und werden für das Mikroskop unsichtbar.

Eigentlich müsste in einem Zellkern völliges Chaos herrschen: Menschliche Chromosomen - könnte man sie entrollen und hintereinander legen - bilden einen Faden von fast zwei Meter Länge, aber sie ruhen in einem Zellkern, der einen Durchmesser von einem hundertstel Millimeter hat. Statt Chaos herrscht jedoch höchste Ordnung.

Denn im Zellkern hat alles seinen festen Platz. Chromosomen mit vielen Genen kommen in die Mitte des Kerns, die anderen werden eher an den Rand gedrängt. Auch die Faltung des Chromosoms ist nicht zufällig. Bereiche mit vielen aktiven Genen liegen außen, ruhende Abschnitte werden im Inneren des Knäuels versteckt1. Diese Anordnung garantiert, dass lebenswichtige Gene immer leicht zugänglich sind.

Feinstruktur schafft Ordnung

In erster Linie ist es jedoch die Fein-Struktur der Chromosomen, welche die Aktivität der Gene steuert. Chromosomen bestehen aus einem DNA-Faden, an dem eine Vielzahl von Proteinen haftet - beides zusammen wird Chromatin genannt. Entscheidend für Struktur des Chromatins sind die Histon-Proteine: Sie tragen eine positive Ladung und können so die negativ geladene DNA aufwickeln.

Wie kleine Kernspindeln sorgen Histone für die optimale Verpackung der DNA auf kleinstem Raum. Gleichzeitig steuern Histone die Genaktivität, denn zu dicht verpackte DNA ist nicht zugänglich und kann daher nicht abgelesen werden.

Diese beiden Pack-Varianten der DNA nennt man Eu- und Heterochromatin. Euchromatin ist locker verpackt, leicht zugänglich und die darauf liegenden Gene sind leicht zu aktivieren. Bei dem dicht verpackten Heterochromatin hingegen sind große Bereiche des Chromosoms weitgehend abgeschaltet.

15 verschiedene Zustände

Die Aufteilung des Chromatins in zwei Formen ist jedoch eine grobe Vereinfachung: Neueste Untersuchungen definieren bis zu 15 verschiedene Chromatin-Zustände2. Histone kommen in unterschiedlichen Varianten vor, welche die Genaktivität unterschiedlich beeinflussen. Zusätzlich können Histone mit Markierungen versehen werden, was deren Funktion ebenfalls modifiziert3.

Und schließlich wird auch die DNA chemisch verändert und durch das Anhängen von kleinen Molekülen inaktiviert (siehe hierzu auch Epigenetik). Am Ende entsteht ein kompliziertes Muster, das präzise reguliert, welche Gene an- und welche abgeschaltet werden.

Eine komplexe Struktur: Die DNA-Doppelhelix windet sich um Histone wie um kleine Protein-Spindeln. Diese "Nukleosomen" werden vor der Zellteilung noch weiter verpackt und zu mikroskopisch sichtbaren Chromosomen "kondensiert". (Bild: US NLM)

Neue Methoden der Genomforschung können diese Vorgänge nun bis ins Detail untersuchen. Gezielt können einzelne Protein-Varianten des Chromatins aufgereinigt werden, und mit ihnen die daran gebundenen DNA-Abschnitte; deren Buchstaben-Code wird dann vollständig sequenziert.

Chromatin bestimmt die Identität der Zelle

Forscher beginnen zu verstehen, welche Proteine wann und wo binden und was das für Auswirkungen haben könnte. Doch das menschliche Genom besteht aus drei Milliarden Buchstaben: Bis auch nur ein grober Überblick über die DNA-Protein-Wechselwirkung fertig wird, werden viele Jahre ins Land gehen.

Doch es schält sich bereits heraus, dass die Unterschiede zwischen den einzelnen Geweben beträchtlich sind5. Herz-, Hirn- oder Blutzellen werden davon geprägt, welche Muster auf ihren Chromosomen zu finden sind. Die Struktur des Chromatins bestimmt Identität und Funktion der Zelle.

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1 Gondör et al., Chromosome crosstalk in three dimensions, Nature 2009 (Link)
2 Ernst et al., Mapping and analysis of chromatin state dynamics in nine human cell types, Nature 2011 (Link)
alle Referenzen anzeigen 3 Bhaumik et al., Covalent modifications of histones during development and disease pathogenesis, Nature Structural & Molecular Biology, November 2007(Link)
4 M. Baker, Genomes in three dimensions, Nature, März 2011 (Link)
5 Yadav et al., Chromatin plasticity: A versatilelandscape that underlies cell fateand identity, Science, September 2018 (Link)
Ganz anders als im Schulbuch... A) Nur kurz vor der Zellteilung zeigen kondensierte Chromosomen das gewohnte Bild. B) Im Kern einer Zelle, die sich nicht teilt, haben sich die Chromosomen entfaltet (mikroskopische Aufnahme). C) Schematische Darstellung von B). (Bild: Bolzer et al., PLoS Biology 2005)
Eine komplexe Struktur: Die DNA-Doppelhelix windet sich um Histone wie um kleine Protein-Spindeln. Diese "Nukleosomen" werden vor der Zellteilung noch weiter verpackt und zu mikroskopisch sichtbaren Chromosomen "kondensiert". (Bild: US NLM)

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Kurz und knapp

  • im Mikroskop sichtbar sind Chromosomen nur während der Zellteilung, zu anderen Zeitpunkten füllen sie den Zellkern vollständig aus
  • ein Chromosom besteht aus DNA und Proteinen; dies wird auch Chromatin genannt
  • bis zu 15 verschiedene Formen von Chromatin werden beschrieben
  • die Form des Chromatins hat einen direkten Einfluss auf die Aktivität von Genen
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