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Die Struktur macht den Unterschied

01. September 2016

Das X-Chromosom ist in männlichen Zellen der Taufliege Drosophila doppelt so aktiv wie in weiblichen. LMU-Wissenschaftler haben nun entdeckt, wie das dafür verantwortliche Enzym das Chromosom erkennt.

x chromosom Foto: Sashkin / fotolia.com

Bei vielen Lebewesen sind die Geschlechtschromosomen ungleich verteilt: Männliche Zellen verfügen im Gegensatz zu weiblichen nur über ein X-Chromosom. Die Männchen der als Modell dienenden Taufliege Drosophila melanogaster kompensieren diesen Mangel, indem ihr X-Chromosom doppelt so aktiv ist. Gesteuert wird der lebenswichtige Prozess über den Enzymkomplex DCC (dosage compensation complex). „Wie dieser Regulator das männliche X-Chromosom von allen anderen Chromosomen unterscheidet, war lange Zeit ein ungelöstes Rätsel“, berichtet der LMU-Biologe Professor Peter Becker vom Biomedizinischen Centrum (BMC) der LMU. Beckers Team gelang nun ein entscheidender Durchbruch: Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass die räumliche Struktur der DNA dabei eine wichtige Rolle spielt. Zudem identifizierten sie, welcher Teil des Enzymkomplexes an das X-Chromosom bindet. Die an Drosophila gewonnenen Erkenntnisse sind nicht nur für das Verständnis der Genregulation in Fliegen wichtig, sondern illustrieren grundlegende Mechanismen, die in ähnlicher Form in allen Lebewesen wirken. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im renommierten Fachmagazin Nature.

Bisher sind etwa 300 Bindungsstellen für den Enzymkomplex DCC auf dem X-Chromosom bekannt. Aus deren DNA-Sequenzen berechneten Wissenschaftler die Erkennungssequenz (Konsensus-Sequenz genannt), in der jede Position mit demjenigen DNA-Baustein besetzt ist, der im Vergleich aller Bindungsstellen dort am häufigsten vorkommt. „Das Problem ist, dass die einzige zuverlässig immer wieder auftretende Konsensus-Sequenz so ähnlich Tausende Male auf allen Chromosomen vorkommt“, sagt Becker. „Deshalb konnten wir es bisher einer bestimmten DNA-Sequenz nicht ansehen, ob sie tatsächlich eine funktionale DCC-Bindungsstelle ist oder nicht.“

Einen wichtigen Fortschritt brachte nun eine sogenannte ´Genomweite biochemische Analyse'. Mit dieser Methode konnten die Wissenschaftler zeigen, dass ein bestimmter Baustein aus dem Enzymkomplex DCC – das Protein MSL2 – ausreicht, um die Konsensussequenz zuverlässig zu binden. Zudem besitzt das Protein MSL2 gleich zwei DNA-Bindungsstellen, von denen eine an eine DNA-Sequenz bindet, die die bisherige Konsensussequenz nach vorne verlängert. „Diese neue Signatur haben wir PionX genannt, weil sich herausstellte, dass diese Bindungsstellen die ersten Kontaktpunkte des DCC auf dem X Chromosom darstellen. Allerdings gibt es im Fliegengenom etwa 2700 PionX-ähnliche Sequenzen, von denen nur 57 als echte MSL2-Bindungsstellen funktionieren“, erzählt Becker.

„Der entscheidende Durchbruch gelang den BMC-Bioinformatikern, allen voran Tobias Straub, die berechneten, wie sich die Abfolge der Basenpaare auf die Feinheiten der chemischen Oberfläche der DNA auswirkt“, sagt Becker. Dabei identifizierten die Wissenschaftler eine bestimmte räumliche Struktur der PionX-Sequenz, die von dem Protein MSL2 bevorzugt erkannt wird. Es ist diese Struktur, die den entscheidenden Unterschied macht: Durch sie unterscheiden sich die Bindungsstellen auf dem X Chromosom von allen anderen, sodass sie von dem Enzymkomplex DCC gezielt angesteuert werden können. „Mit unserer Arbeit haben wir das Verständnis der Dosiskompensation entscheidend vorangebracht“, sagt Becker. „Allerdings kann die Bindung von MSL2 alleine nur einen Teil der DCC Bindungsstellen in vivo erklären. Es gibt immer noch viele ‚falsch positive’ und ‚falsch negative’ Bindungsstellen.“ In Zukunft wollen die Wissenschaftler die Strategie der Genomweiten biochemischen Analyse weiter verfeinern, um die Erkennung des X-Chromosoms durch den DCC noch besser zu verstehen.

Quelle: Pressemitteilung LMU (Text und Bildnachweis)