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Packanleitung für die DNA

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Querschnitt durch ein Modell des kondensierten Chromosoms: Die DNA ist zu mehrteilig ineinander gewundenen Schlaufen gebündelt. Condensin-Proteine halten sie in der Mitte zusammen. (Grafik: Anton Goloborodko)
Unser Erbgut wird bei jeder Zellteilung in kompakte Chromosomen verpackt. Doch wie dieser nur wenige Minuten dauernde Packprozess genau abläuft, haben Forscher erst jetzt aufgeklärt. Ihre Beobachtungen zeigen: Die DNA wird erst in immer kleinere Schlaufen gelegt, dann drehen Proteinmotoren diesen verdickten Strang zu einer spiraligen Wendeltreppe. Dieses „Drehbuch“ des Packprozesses löst nicht nur ein Jahrzehnte altes Rätsel und klärt einen fundamentalen Prozess des Lebens – es vereint auch bisher widerstreitende Theorien.

Schaut man sich die DNA in unseren Körperzellen an, dann ähnelt das Erbgut meist einem Haufen verknäuelter Spaghetti: Die DNA-Stränge liegen lose-klumpig und scheinbar ungeordnet im Zellkern. Das ermöglicht es der Zellmaschinerie, an die einzelnen Gene heranzukommen und sie abzulesen. Doch bei einer Zellteilung zeigt sich ein ganz anderes Bild: Plötzlich liegt das gesamte Erbgut in Form kompakter, säuberlich getrennter Chromosomen vor. Die normalerweise zusammen 1,80 Meter langen DNA-Fäden bilden jetzt winzige X- oder Y-förmige Pakete. Bei der Mitose können sie so sehr einfach auf die beiden Tochterzellen verteilt werden. „Das ist einer der fundamentalsten Prozesse der Genetik“, erklärt Seniorautor Job Dekker von der University of Massachusetts. Denn wenn dieser Packprozess der DNA nicht richtig abläuft, können Chromosomen brechen oder Teile der DNA an falscher Stelle landen.

Doch wie es die Zellen schaffen, ihre DNA von der ausgebreiteten, fädigen Form in die Chromosomen zu verpacken, darüber rätseln Biologen schon seit mehr als hundert Jahren. Zwar weiß man inzwischen, dass die DNA in den Chromosomen eine Reihe von eng aneinander liegenden Schlaufen bildet, aber wie genau die DNA von einem Zustand in den anderen kommt, war bisher unklar. „Der gesamte Prozess dauert nur zehn bis 15 Minuten – das ist einfach unglaublich“, sagt Dekker. Um das „Drehbuch“ der zellulären Verpackungsmaschinerie zu enträtseln, haben Dekker und seine Kollegen einen Trick genutzt: Durch chemisch-genetische Manipulation brachten sie die Zellen von Hühnern dazu, simultan mit dem Verpacken ihres Erbguts zu beginnen. An mehreren Punkten dieses Prozesses stoppten sie die Zellprozesse und konnten so „Schnappschüsse“ des jeweiligen Packzustands der DNA erstellen.

Erst Schlaufen, dann eine Spirale

Es zeigte sich: Wenn die Prophase beginnt – und damit der Prozess der Chromosomenbildung, ziehen sich die fädig-klumpigen DNA-Stränge zu dickeren stäbchenförmigen Gebilden zusammen. Wie die Forscher herausfanden, spielt dabei ein bestimmtes Protein eine entscheidende Rolle: Das Condensin II sorgt in der Prophase dafür, dass die DNA-Fäden eine Abfolge dicht aneinander liegender Schlaufen bilden – dadurch verkürzen sich die Fäden. Die Proteinmoleküle bilden dabei das Gerüst für die gefaltete DNA. Mit dem Übergang in die Prometaphase beginnt sich dann die Zellkernhülle langsam aufzulösen. Jetzt tritt ein zweites Packprotein in Aktion: Condensin I. Dieses unterteilt die DNA-Schlaufen in noch kleinere Untereinheiten und bringt den Strang dann dazu, sich spiralig wie eine Wendeltreppe einzuwickeln. Im Laufe weniger Minuten wickelt sich das Erbgut dabei zu immer dickeren, flacheren Wendeln auf, wie die Forscher erklären. Die Bündel werden so immer dicker und kürzer, bis sie am Ende die kompakte Chromosomenform besitzen.

Erstmals ist damit klar, nach welchem „Drehbuch“ die Zelle ihr Erbgut vor der Teilung verpackt – und wie komplex und gleichzeitig elegant dieser Prozess vor sich geht. Das erklärt nicht nur einen der grundlegenden Vorgänge in allen höheren Zellen, es hilft künftig auch dabei, Fehler in diesem Packprozess besser verstehen und möglicherweise verhindern zu können. Hinzu kommt: „Dieses Modell versöhnt viele scheinbar widersprüchliche Beobachtungen, die in den letzten Jahrzehnten gemacht worden sind“, so Dekker und seine Kollegen. Denn während einige Forscher in den Chromosomen Anzeichen für eine spiralige Architektur fanden, sahen andere vorwiegend Schlaufen. Die aktuellen Ergebnisse zeigen nun: Beide Fraktionen hatten recht. Denn für die Verpackung des Erbguts wird die DNA sowohl in mehrschichtige Schlaufen als auch in eine helikale Spirale gelegt. „Das finde ich sehr befriedigend: Ausgehend von zwei Datensätzen, die augenscheinlich unterschiedliche Dinge sagen, finden wir einen Weg, beiden Recht zu geben“, sagt Dekker.

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Quelle:

© wissenschaft.de – Nadja Podbregar
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