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13.2: Verpackung der DNA
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DNA Packaging
 
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13.2: DNA Packaging

13.2: Verpackung der DNA

Overview

Eukaryotes have large genomes compared to prokaryotes. In order to fit their genomes into a cell, eukaryotes must pack their DNA tightly inside the nucleus. To do so, DNA is wound around proteins called histones to form nucleosomes, the main unit of DNA packaging. Nucleosomes then coil into compact fibers known as chromatin.

You Have Enough DNA to Stretch to the Sun and Back Hundreds of Times

Most cells in the human body contain about 3 billion base pairs of DNA packaged into 23 pairs of chromosomes. It is hard to imagine exactly how much DNA these numbers represent. So how much packing has to happen to fit the genome into a cell?

We can gain some insight by expressing the genome in terms of length. If we were to arrange the DNA of a single human cell, like a skin cell, into a straight line, it would be two meters long–over 6.5 feet. The human body contains around 50 trillion human cells. This means that each person has a total of about 100 trillion meters of DNA. In other words, each person has enough DNA to stretch from the Earth to the Sun 300 times!

And humans do not have particularly large genomes–those of many fish, amphibians, and flowering plants are much larger. For example, the genome of the flowering plant Paris japonica is 25 times larger than the human diploid genome. These figures emphasize the astonishing task that eukaryotes must accomplish to pack their DNA inside cells.

Nucleosomes Are Central Players in DNA Packaging

Each nucleosome consists of DNA wrapped around a core of eight histone proteins. Each core is composed of four different types of histones—H2A, H2B, H3, and H4—that are each present in two copies. Another type of histone—H1—binds to both the nucleosome and the linker DNA, stabilizing the structure.

DNA becomes more compact as nucleosomes and linker DNA coil into chromatin fibers. Uncondensed chromatin fibers, or euchromatin, are approximately 10 nm in diameter. Nucleosomes resemble beads on a string in these fibers. As DNA continues to condense, the 10-nm fibers coil into strands that are approximately 30 nm thick, which in turn form loops that make 300-nm thick fibers. When chromatin is fully compacted it is known as heterochromatin.

The loosely packed structure of euchromatin allows enzymes, such as RNA polymerase, access to the DNA. Transcription, therefore, tends to occur predominantly in euchromatic regions of the genome, which are rich in genes. By contrast, the tightly packed structure of heterochromatin blocks access to the DNA, preventing transcription. Heterochromatin predominates in the centromeres and telomeres of chromosomes, where highly repetitive DNA sequences are much more common than genes. Furthermore, organisms can dynamically adjust the level of DNA packing in response to cellular and external environmental cues, de-condensing DNA when genes need to be turned on, and re-condensing it to turn them off.

Überblick

Eukaryonten haben im Vergleich zu Prokaryonten größere Genome. Um ihr Genom in einer Zelle zu speichern, müssen Eukaryonten ihre DNA dicht im Zellkern verpacken. Dazu wird die DNA um Proteine gewickelt, die man Histone nenn. Daraus bilden sich Nucleosomen, welche die verpacktent DANN bilden. Die Nucleosomen wickeln sich dann zu kompakten Fasern, die als Chromatin bekannt sind.

Ein Mensch besitzt genug DNA, um diese hunderte Male zur Sonne und zurück strecken zu können

Die meisten Zellen im menschlichen Körper enthalten etwa 3 Milliarden Basenpaare DNA, die in 23 Chromosomenpaare verpackt sind. Es ist schwer vorstellbar, wie viel DNA diese Zahlen genau repräsentieren. Wie oft muss das Material eigentlich verknäuelt werden, damit das Genom in eine Zelle passt?

Wir können uns dies verdeutlichen, indem wir das Genom in einer konkreten Länge darstellen. Würden wir die DNA einer einzelnen menschlichen Zelle in einer geraden Linie anordnen, wäre sie zwei Meter lang. Das sind über 6,5 Fuß. Der menschliche Körper enthält etwa 50 Billionen Zellen. Das bedeutet, dass jeder Mensch insgesamt etwa 100 Milliarden Meter DNA besitzt. Mit anderen Worten hat jeder Mensch genug DNA, um diese 300 Mal von der Erde zur Sonne auszubreiten!

Der Mensch hat trotzdem keine besonders großen Genome. Die von vielen Fischen, Amphibien und blühenden Pflanzen sind viel größer. Zum Beispiel ist das Genom der Blütenpflanze Paris japonica 25-mal größer als das menschliche diploide Genom. Diese Zahlen verdeutlichen die erstaunliche Aufgabe, die Eukaryonten erfüllen müssen, um ihre DNA in Zellen zu verpacken.

Die Nucleosomen sind zentrale Akteure in der DNA-Verpackung

Jedes Nucleosom besteht aus DNA, die um einen Kern aus acht Histon-Proteinen gewickelt ist. Jeder Kern besteht aus vier verschiedenen Typen von Histonen - H2A, H2B, H3 und H4 - die jeweils in zwei Kopien vorliegen. Ein anderer Typ von Histonen - H1 - bindet sowohl an das Nucleosom als auch an die Linker-DNA und stabilisiert die Struktur.

Die DNA wird kompakter, da sich Nucleosomen und Linker-DNA zu Chromatinfasern winden. Unkondensierte Chromatinfasern, oder Euchromatin, haben einen Durchmesser von ca. 10 nm. Nucleosomen ähneln in diesen Fasern Perlen auf einer Schnur. Während die DNA weiter kondensiert, wickeln sich die 10-nm-Fasern zu ca. 30 nm dicken Strängen, die wiederum Schleifen bilden, aus denen 300 nm dicke Fasern entstehen. Wenn das Chromatin vollständig verdichtet ist, wird es als Heterochromatin bezeichnet.

Die locker gepackte Struktur des Euchromatins ermöglicht Enzymen, wie z.B. der RNA-Polymerase, den Zugang zur DNA. Die Transkription findet daher vorwiegend in den euchromatischen Regionen des Genoms statt, die reich an Genen sind. Die dicht gepackte Struktur des Heterochromatins blockiert dagegen den Zugang zur DNA und verhindert so die Transkription. Das Heterochromatin dominiert in den Zentromeren und Telomeren der Chromosomen, wo hochrepetitive DNA-Sequenzen wesentlich häufiger vorkommen als Gene. Darüber hinaus können Organismen das Niveau der DNA-Packung als Reaktion auf zelluläre und externe Umwelteinflüsse dynamisch anpassen, indem sie die DNA dekondensieren, wenn Gene eingeschaltet werden müssen, und sie erneut kondensieren, um sie abzuschalten.


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