5.9: Chromatinverpackung

Jede menschliche somatische Zelle enthält 6 Milliarden Basenpaare DNA. Jedes Basenpaar ist 0,34 nm lang, was bedeutet, dass jede diploide Zelle beeindruckende 2 Meter DNA enthält. Wie wird ein so langer DNA-Strang in einem nur 10 - 20 Mikrometer großen Zellkern verpackt?

Das Chromatin

In Kombination mit spezialisierten DNA-bindenden Proteinen, den Histonen, bildet die DNA-Doppelhelix einen kompakten DNA-Protein-Komplex, der als Chromatin bezeichnet wird. Das Chromatin selbst wird weiter in höher geordnete Strukturen verdichtet. Die höchste Verdichtungsstufe wird während der Metaphase des Zellzyklus erreicht, wenn das Chromatin kondensiert und die Chromatiden eines Chromosoms bildet.

Nukleosomen

Nukleosomen sind die grundlegende funktionelle und wiederkehrende Einheit des Chromatins. Ein Nukleosom besteht aus 8 Histonproteinen, um die 147 Basenpaare DNA gewunden sind. Unter dem Elektronenmikroskop erscheint das Chromatin als eine Struktur, die wegen der Anwesenheit von Nukleosomen entlang seiner Länge Perlen auf einer Schnur ähnelt. Diese Verpackung verkürzt die Faserlänge um das Siebenfache.

Solenoid-Modell

Die Nukleosomen werden weiter zu 30 nm Fasern aufgewickelt, so genannt wegen ihres Durchmessers von etwa 30 nm. Eine solche Verdichtung wird durch eine weit akzeptierte Hypothese erklärt – das Solenoid-Modell. Ein Solenoid bezieht sich auf die Struktur eines um eine Zentralachse gewickelten Drahtes. Dieses Modell schlägt vor, dass Nukleosomen in einer linkshändigen helikalen Konformation angeordnet sind, mit sechs oder mehr Nukleosomen pro Umdrehung. Eines der Nicht-Kern-Histonproteine, H1, spielt eine wesentliche Rolle bei der Verdichtung von Nukleosomen; ohne dieses Protein verwandelt sich die Chromatinfaser in unregelmäßige Klumpen von Nukleosomen.

Die Chromatinverpackung ist ein aktives Forschungsgebiet. Neue Daten haben es Wissenschaftlern ermöglicht, Chromatin und Nukleosomen nicht als hochdefinierte Strukturen zu betrachten, sondern eher als ein Kontinuum verschiedener interkonvertierbarer Konformationen in allen Stadien der Chromatinverpackung.

Jede menschliche diploide Zelle enthält etwa 2 Meter DNA, die in einem winzigen Kern von nur wenigen Mikrometern Durchmesser komprimiert ist. Die Anordnung und Spiralung der DNA im Zellkern ist daher hochgradig organisiert und streng reguliert.

Zunächst wird die chromosomale DNA mit Histonproteinen assoziiert, um eine Struktur zu bilden, die als Chromatin bezeichnet wird. Die strukturelle und funktionelle Grundeinheit des Chromatins wird als Nukleosom bezeichnet. Durch die Assoziation der DNA in Nukleosomen verkürzt sich die DNA-Länge um das Siebenfache.

Als nächstes bindet ein Nicht-Kern-Histonprotein namens H1 an jedes Nukleosom. Das H1-Histon verändert den DNA-Weg, wenn es das Nukleosom verlässt, und trägt so dazu bei, den Komplex weiter zu verdichten.

Diese Nukleosomen werden dann übereinander gestapelt, wodurch eine kürzere und dickere Faser mit einem Durchmesser von 30 nm entsteht, die sogenannten 30-nm-Fasern.

Die Anordnung der Nukleosomen in der 30-nm-Faser wird durch ein weithin akzeptiertes Solenoidmodell erklärt. Das Modell schlägt vor, dass Nukleosomen in einer linkshändigen helikalen Konformation mit sechs oder mehr Nukleosomen pro Runde angeordnet sind. Dadurch verkürzt sich die DNA-Länge um das weitere 50-fache.

Jede Chromatinregion, die nicht aktiv transkribiert oder repliziert wird, liegt in der 30-nm-Faserform vor. Auf der anderen Seite liegen die Chromatinregionen, auf die aktiv zugegriffen wird, in einer ausgedehnten Perlen-auf-einer-String-Form vor.

Die 30-nm-Fasern werden weiter aufgewickelt, um Schleifen von etwa 300 nm Länge zu bilden. Diese Fasern werden dann zu 250 nm breiten Coils verdichtet.

Später in der Metaphase des Zellzyklus bilden die Chromatinfasern hochverdichtete Strukturen, die Chromosomen genannt werden.

Das Gesamtverdichtungsverhältnis der DNA in das Chromosom beträgt etwa 1:10000. Sobald sich die Zelle teilt, wickeln sich die Chromosomen wieder ab.