Medizinische Fakultät
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Packende Mechanismen

21. Oktober 2016

LMU-Wissenschaftler haben erstmals ein komplettes Hefe-Genom im Reagenzglas in definierter Weise verpackt und dabei grundlegende Mechanismen der Genorganisation jenseits der DNA-Sequenz aufgedeckt.

Die Erbinformation der DNA-Moleküle liegt im Zellkern in einer übergeordneten Verpackung vor. Sie ist in einen DNA-Protein-Komplex eingebunden, der als Chromatin bezeichnet wird und auf einer ersten Ebene aus „Protein-Spulen“ besteht, um die die DNA gewickelt wird. Diese „aufgespulte DNA“ heißt Nukleosom und die Position der Nukleosomen entlang der DNA reguliert die Genaktivität und beeinflusst alle Lebensvorgänge. Wissenschaftlern um PD Dr. Philipp Korber vom Biomedizinischen Centrum der LMU ist es nun zum ersten Mal gelungen, aus einzelnen Bausteinen die Nukleosomenpositionierung entlang eines kompletten Hefe-Genoms im Reagenzglas quasi „lebensecht“ nachzubauen. Dies ermöglicht grundsätzliche Einblicke, wie die DNA im Zellkern organisiert wird. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des Magazins Cell.

nukleosomen Nukleosomen (Foto: 7activestudio / fotolia.com)

Zur Überraschung der Wissenschaftler genügen relativ wenige Komponenten, damit beim Hefegenom die Verpackung des Erbguts funktioniert: Neben gereinigter Hefe-DNA und Histon-Proteinen, die die Nukleosomen bilden, waren für die Rekonstitution im Reagenzglas nur noch sogenannte „Barrieren“- und „Remodeler“-Proteine notwendig. Die Barrieren organisieren die Einteilung der Erbgut-Verpackung ähnlich wie Grenzsteine, wie die Wissenschaftler nun direkt zeigen konnten. Auch die Bedeutung der Remodeler für die Organisation der DNA-Verpackung haben sie aufgeklärt: „Bisher war zwar bekannt, dass Remodeler für die DNA-Verpackung gebraucht werden, aber nicht, wie direkt und spezifisch sie mitwirken“, sagt Korber und veranschaulicht den Mechanismus mit einer Analogie. „Beim Einsortieren von Waren in einen Laderaum gibt es Pläne und dann Menschen, die diese ausführen. Viele dachten, dass Remodeler nur ausführen, was andere Faktoren vorgeben. Die Remodeler haben aber selbst einen Plan, wie die DNA verpackt wird“, sagt Korber. „Ein bestimmter Remodeler-Typ arbeitet sogar völlig selbstständig. Das hatte so niemand erwartet.“

Mit ihrer Rekonstitution haben die Wissenschaftler nachgewiesen, dass die Selbstorganisation der DNA-Verpackung weiter reicht als bisher angenommen. Die DNA- Verpackung durch die Remodeler ist ein dynamischer Prozess, der autonom abläuft und eine Struktur schafft, die die Grundlage für weitere Prozesse wie die Transkription und Replikation ist. „Dieser Einblick in ein grundlegendes Organisationsprinzip des Genoms ist ein wirklicher Meilenstein und konnte erstmals durch die kontrollierten Reagenzglas-Bedingungen am Modellsystem des Hefegenoms realisiert werden“, erklärt Korber. „Unser Ansatz trägt auch zur Untersuchung grundlegender Mechanismen von z.B. Krebserkrankungen bei, denn Störungen der DNA-Verpackung sind an der Krebsentstehung direkt beteiligt.“

Quelle: Pressemitteilung LMU (Text und Bildnachweis)