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Wie der Histon-Code die Transkription bestimmt

Auch die Verpackung macht’s

Ob und wie sowohl die RNA als auch die proteinkodierenden Abschnitte der DNA abgelesen werden, hängt von einem weiteren epigenetischen Mechanismus ab. Auch hier entscheiden Schalter über die Aktivität der Gene. Doch während es sich bei der RNA-Interferenz um einen post-transkriptionellen Prozess handelt – das heißt, er findet statt, nachdem die genetischen Informationen abgelesen wurden – sind sogenannte Histon-Modifikationen transkriptionelle Prozesse. Sie sind ein Bestandteil der Übertragung der genetischen Informationen.

Die DNA liegt in den Chromosomen verpackt vor: Sie ist auf Proteine, die Histone, aufgewickelt. Deren Zustand entscheidet darüber, ob ein Gen zugänglich und damit ablesbar ist. © NHGRI

Histone sind das „Verpackungsmaterial“ der DNA. Sie sind um diese Proteine herumgewickelt und wie auf einer Perlenschnur aufgereiht. Zu jeder Perle – Nucleosom genannt – gehören acht Histonproteine und 147 Basenpaare des doppelsträngigen DNA-Fadens. Dieser Mix aus DNA und Histonen, ergänzt mit anderen Proteinen, ergibt das Chromatin, das Material aus dem die Chromosomen bestehen. Nur durch diesen Mechanismus kann die DNA zehntausendfach komprimiert und zu kompakten Chromosomen zusammengeschnürt werden. Der Nachteil: Die Gene sind sehr gut verpackt, manchmal sogar zu gut – die DNA ist so fest gewickelt, dass die Gene nicht ohne Weiteres abgelesen werden können.

Lesezeichen am Chromosom

Um wichtige Stellen zu markieren, ist die DNA deshalb mit einer Art Lesezeichen ausgestattet. Sie markieren, welche Abschnitte der DNA für bestimmte Aufgaben unentbehrlich sind. Diese molekularen „bookmarks“ hängen an den Proteinschwänzchen der Histone. Sie bestimmen die Eigenschaften des Chromatins, zum Beispiel auch, ob die Perlenschnur nur lose oder fester gewickelt ist. So lockert eine sogenannte Acetylierung die Chromatinstruktur, die „Perlenkette“ liegt dann als Euchromatin vor und die Gene werden an diesen Stellen lesbar. Der Grund dafür ist, dass die zusätzlich an die Histonschwänze angehängten Acetylgruppen deren positive Ladungen aufheben. Die negativ geladenen DNA-Moleküle werden dadurch nicht mehr ausreichend neutralisiert und die Struktur des Chromatins lockert sich.

Durch Anlagerung von Methylgruppen direkt an die DNA werden bestimmte Abschnitte nicht mehr ablesbar, diese epigenetischen Anlagerungen beeinflussen damit auch die Genaktivität. © Christoph Bock, MPI für Informatik / CC-by-sa 3.0

Auch eine Phoshorylierung der Histonschwänze verändert durch zusätzliche negative Ladungen den Packungszustand des Chromatins und erleichtert so das Ablesen bestimmter DNA-Regionen. Eine Methylierung dagegen, das Anhängen von Methylgruppen, oder eine Reduktion der Acetylgruppen bewirkt eine höhere Packungsdichte des Chromatins. Die Gene dieses sogenannten Heterochromatins sind unlesbar und bleiben somit stumm.

Epigenom – Information jenseits der Gene

Wissenschaftler weltweit haben gerade erst begonnen, die komplexen Mechanismen der Histon-Modifikationen zu verstehen. Fakt ist, dass vor allem die Kombination dieser molekularen Modifikationen eine Unmenge an Ausprägungen eines einzigen Genoms hervorbringen kann. Eine zweite Informationsebene entsteht: das Epigenom – der Bereich jenseits der Gene. Die chemischen Markierungen auf der Histon-Verpackung sind eine Art Code, der kontextabhängig ausgelesen wird und die Umsetzung der Erbinformation steuert.

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Das Epigenom funktioniert demnach wie eine komplizierte Software, die das Genom zum Leben erweckt. Es entscheidet darüber welche Proteine entstehen, welche Funktionen eine Zelle übernimmt und letztlich auch, welche Eigenschaften ein Individuum besitzt. Inzwischen weiß man, dass auch die DNA direkt methyliert werden kann: Dabei lagert sich eine solche Gruppe an die DNA-Base Cytosin an und macht Abschnitte mit dieser Base weniger gut ablesbar. Auch dadurch beeinflusst das Epigenom die Aktivität unserer Gene.

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Stand: 26.02.2013

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In den Schlagzeilen

Inhalt des Dossiers

Epigenetik – Mehr als nur die Gene
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