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, welche 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)

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 das völlige Chaos herrschen. Denn die menschlichen Chromosomen - könnte man sie entrollen und hintereinander legen - bilden einen Faden von fast zwei Meter Länge. Dieser presst sich in einen Zellkern, der einen Durchmesser von einem hundertstel Millimeter hat. Doch statt Chaos herrscht in einem Zellkern höchste Ordnung.

Höchste Ordnung

Alles hat 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.

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.

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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)

Die Genomforschung hat wesentlichen Anteil, dass die Vorgänge am Chromosom nun bis ins Detail untersucht werden können. Protein-Varianten des Chromatins werden samt daran gebundener DNA-Abschnitte aufgereinigt und der Buchstaben-Code der DNA vollständig sequenziert. Gezielt können einzelne Protein-Varianten des Chromatins aufgereinigt werden, und mit ihnen die daran gebundenen DNA-Abschnitte; deren Buchstaben-Code wird dann vollständig sequenziert.

Man beginnt langsam 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 sind. 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, vol. 461, pp. 212-7 (link)
2 Ernst et al., Mapping and analysis of chromatin state dynamics in nine human cell types, Nature 2011, vol. 473, pp. 43-9 (link)
3 Bhaumik et al., Nature Structural & Molecular Biology 2007, vol. 14, pp. 1008-16 (link)
4 M. Baker, Genomes in three dimensions, Nature 2011, vol. 470, pp. 289-94 (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)
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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