Wie die DNA in den Kern passt

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US-Forscher haben erstmals ein dreidimensionales Modell des menschlichen Erbguts gebaut. Auf diese Weise kamen sie zwei Tricks auf die Spur, mit denen die Zelle es schafft, ihre zwei Meter lange Erbsubstanz im nur Millimeterbruchteile großen Zellkern zu verstauen: Zum einen organisiert die Zelle zwei Abteilungen, eine Art Ruheraum und eine Fabrik, in die sie jeweils die aktiven und die inaktiven Gene sortiert. Zum anderen formt sich die Erbsubstanz DNA zu einer perlenkettenartigen Struktur, die sich wiederum wie ein Wollknäuel verdrillt. Die Informationsdichte dieser Kugelstruktur ist Billionen Mal höher als die eines Computerchips. Die Organisation verhindert gleichzeitig, dass sich das Erbgut verheddert und die Zelle ihr eigenes Genom nicht mehr lesen kann.

Bisher rätselte die Wissenschaft, wie sich die Erbgutstränge mit ihren über drei Milliarden DNA-Basenpaaren so organisieren, dass sie in einen menschlichen Zellkern mit einem Durchmesser von einem Hundertstel Millimeter passen.
Um die räumliche Struktur des Genoms sichtbar zu machen, verklebten die Wissenschaftler jetzt eng im Zellkern beieinander liegende DNA-Stränge und identifizierten sie anschließend. ?Das Genom wird so in Millionen Stücke zerlegt und dann wieder zu einer räumlichen Karte zusammengestellt, die nachbarschaftliche Beziehungen zeigt“, erklärt Mitautor Nynke van Berkum das Verfahren. ?Wir haben sozusagen mit der Laubsäge ein dreidimensionales Puzzle hergestellt und es dann mit Computerhilfe wieder zusammengesetzt.?

Das 3-D-Modell verrate nun, dass die Zellen ihr Erbgut auf zwei Abteilungen verteilen, berichtet Job Dekker, Systembiologe an der Harvard Medical School. In der ersten befinden sich die aktiven Gene, leicht erreichbar für Proteine und andere Steuerelemente. Im zweiten Séparée steckt die passive DNA, die dafür sehr eng zusammengepfercht wird. Die einzelnen DNA-Moleküle wechseln je nach Anforderung zwischen der Fabrik und dem Ruheraum, wobei sich die jeweils aktiven Regionen annähern.

Für die Speicherung von Informationen hat die Natur eine zusätzliche superdichte knotenfreie Struktur geschaffen: Die DNA ballt sich in der sogenannten Fraktal-Kugel extrem dicht zusammen, ohne dass sie bei der Entfaltung für die Zellteilung behindert wird. Die Fraktal-Kugel-Architektur war als theoretische Möglichkeit schon vor über 20 Jahren diskutiert worden. Erst die Entwicklung des neuen Verfahrens, das die nachbarschaftlichen Beziehungen einzelner Gene offenlegt, hat nun Klarheit geschaffen.

Eric Lander (Broad Institute of Harvard und MIT) et al: Science, doi: 10.1126/science.1181369 ddp/wissenschaft.de – Rochus Rademacher

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