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Donnerstag, 25.05.2017
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DNA wird aktiv verpackt

Neue Methode widerlegt Theorien zur DNA-Organisation

In der Zelle liegt die DNA als Abfolge von freien, ablesbaren und zusammengeknäulten, „verpackten“ Abschnitten vor, den so genannte Nukleosomen. Jetzt hat ein deutsch-amerikanisches Forscherteam diese „Perlenkette“ aus freien und verpackten Abschnitten erstmals in einem zellfreien Laborsystem für ein ganzes Genom erzeugt. Ihr in „Science“ vorgestellter Versuch widerlegt gängige Thesen zur DNA-Organisation und zeigt, dass die Verpackung der DNA kein passiver, sondern ein aktiver Prozess ist.
DNA

DNA

Das fadenförmige Erbmolekül DNA liegt im Zellkern gut verpackt vor: Ähnlich wie Haare auf einen Lockenwickler wird die DNA stückweise auf Histonproteine aufgewickelt, wodurch so genannte Nukleosomen entstehen. Sie sind jeweils durch unverpackte DNA-Bereiche verbunden. Da Nukleosomen das Ablesen der Gene behindern, reguliert diese dreidimensionale Organisation der DNA auch, welche Gene aktiv sind und beispielsweise in Proteine übersetzt werden können. „Seit sechs Jahren wird genomweit kartiert, wo genau sich Nukleosomen relativ zur DNA-Sequenz befinden“, erklärt Philipp Korber von der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München. Dabei zeigte sich bereits, dass Nukleosomen keineswegs zufällig verteilt sind, sondern im Gegenteil größtenteils klar definierte Positionen einnehmen. Was aber diese Positionen bestimmt, war unklar.

Einige Modelle zur Nukleosomenpositionierung wurden theoretisch entwickelt, konnten aber nicht ausreichend experimentell überprüft werden. Von Bedeutung waren dabei vor allem drei Theorien: Erstens die These vom „genomischen Positionierungs-Code“, nach der die DNA-Sequenz selbst ihre strukturellen Eigenschaften und damit auch die Positionierung der Nukleosomen beeinflusst. Einer zweiten These zufolge verhalten sich Nukleosomen auf der DNA wie Waggons auf Schienen, die sich ganz passiv („statistisch“) anordnen, weil ab und zu Barrieren aufgestellt sind. Als weitere Möglichkeit wird vermutet, dass das Ablesen der Gene – die Transkription – einen ordnenden Effekt hat und die Nukleosomen positioniert.

Zellfreies in-vitro System erzeugt „Perlenkette“


Diese Thesen an lebenden Zellen zu überprüfen, war bisher schlecht möglich. Die Nukleosomenorganisation ist so grundlegend für den Aufbau des Zellkerns, dass experimentelle Eingriffe sofort zu toten oder sterbenden Zellen führen und schwer einschätzbare sekundäre Effekte eintreten. Gemeinsam mit einem Forscherteam um Professor Franklin Pugh von der Pennsylvania State Universität gelang nun den Münchener Wissenschaftlern der entscheidende Durchbruch: Sie nutzten ein biochemisches in vitro-System, das gereinigte „nackte“ DNA in eine DNA mit Perlenkettenstruktur umbauen kann – und wenn zu diesem System auch Hefeextrakt zugegeben wurde, nahmen die nachgebauten Nukleosomen sogar dieselben Plätze ein wie in lebender Hefe.


Verpackung ist aktiver Prozess


Der Hefeextrakt spielt dabei eine entscheidende Rolle, ohne ihn und das Energie spendende Molekül ATP gelang der originalgetreue Nachbau der DNA-Verpackung nicht. Das zeigt zum einen, dass neben DNA und Histonen zusätzliche Faktoren wie ATP benötigt werden, um die Nukleosomen richtig zu positionieren, und zum anderen, dass es sich dabei um einen energieabhängigen – also aktiven – Prozess handelt. Diese Beobachtungen widerlegen die These vom „Positionierungs-Code“ und sprechen auch gegen eine rein passive statistische Verteilung der Nukleosomen.

Bisherige Theorien widerlegt


Gegen das statistische Modell spricht auch ein weiteres Experiment der Wissenschaftler: „Da das neue System komplett zellfrei ist, können zum ersten Mal alle Parameter frei kontrolliert und variiert werden. So haben wir die Nukleosomendichte halbiert, was man mit lebenden Zellen unmöglich machen kann. Die Theorie der statistischen Positionierung, die auch wir bis dahin favorisiert hatten, fordert dann einen größeren Abstand zwischen den Nukleosomen – zu unserer eigenen Überraschung blieb der Abstand aber gleich. Irgendetwas im Hefeextrakt hält aktiv die Nukleosomen beieinander“, sagt Korber. Auch die Transkriptionsthese als letzte Theorie scheidet vermutlich aus, da das neue System die Transkription nicht beinhaltet.

„Nachdem wir die gängigen Theorien infrage gestellt und widerlegt haben, geht nun die Suche nach den entscheidenden Faktoren, die zur aktiven Packung der Nukleosomen führen, erst richtig los“, meint Korber. Das neue System ist hierfür der entscheidende technische Fortschritt. „So komplexe Prozesse in zellfreien Systemen nachzubauen, ist alles andere als trivial“, so der Forscher. „Unser In vitro-System hebt die biochemische Forschung, also das Arbeiten mit Rekonstitutionen, auf eine neue Stufe, mit der wir ein grundlegendes Organisationsprinzip des Genoms besser verstehen und untersuchen können.“ (Science, 2011; doi: 10.1126/science.1200508)
(Universität München, 20.05.2011 - NPO)
 
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