Genaktivität: Auf die Verpackung kommt es an

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Die Histone, um die sich die DNA in dne Chromosomen wickelt, können das Ablesen der Gene beeinflussen. Berliner Max-Planck-Forscher haben den Code der Histon-Modifikationen nun entschlüsselt. Quelle: MPI für molekulare Genetik

04.05.2010  - 

Lange Zeit galt die Reihenfolge der einzelnen Bausteine der Erbsubstanz DNA als alleiniger Träger der Vererbung. Die Epigenetik hat den Blick geweitet. Chemische Moleküle, die sich an der DNA anlagern, beeinflussen nicht nur das Auslesen der Gene, sondern können sogar vererbt werden. Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik in Berlin konnten nun erstmals anhand der chemischen Anhängsel am Gerüstmaterial der Chromosomen vorhersagen, wie diese die Genaktivität beeinflussen. Diese Veränderungen sind also direkt an der Entwicklung und Funktion von Zellen und Geweben beteiligt, berichten die Wissenschaftler im Fachblatt PNAS (2010, Bd. 107, Ausg. 7, S. 2926-2931). Dabei benötigten die Forscher nur wenige solcher Modifikationen, um auf die Aktivität des zugehörigen Gens schließen zu können.

DNA-Moleküle sind sehr lang, innerhalb einer menschlichen Zelle können sie eine Länge von mehr als zwei Metern erreichen. Damit die DNA überhaupt in den Zellkern hineinpasst, wird sie um bestimmte Verpackungseiweiße, die Histone, gewickelt und dabei um das rund 10.000- bis 50.000-Fache verkürzt. Dabei wird eine genau Faltanleitung befolgt. 147 Basenpaare lange DNA-Abschnitte umschlingen jeweils einen Komplex aus 8 Histonen und bilden so zusammen mit weiteren Eiweißen das Baumaterial der Chromosomen, das sogenannte Chromatin.

Neben dieser Funktion als Verpackungs- und Stützmaterial haben die Histone aber noch weitere Aufgaben, wie Molekularbiologen seit kurzem wissen. So können Histone an verschiedenen Stellen ihrer Oberfläche mit kleinen chemischen Zusätzen wie Acetyl- oder Phosphatgruppen versehen werden. Solche Modifikationen können zum Beispiel zu einer "Entpackung" des Chromatins führen und damit das Ablesen der genetischen Information einleiten. Andere Anhängsel dagegen führen dazu, dass sich bestimmte Eiweiße an die Histone anlagern, die wiederum die Aktivität der DNA beeinflussen.

Drei bis vier Modifikationen reichen aus

Die Max-Planck-Forscher untersuchten, wie häufig 38 Histon-Modifikationen in menschlichen weißen Blutkörperchen vorkommen. Sie verglichen dabei die Änderungen der Histone mit der Aktivität der zugehörigen Gene. Die Wissenschaftler um Martin Vingron, Leiter der Abteilung Bioinformatik am Max-Planck-Instituts für molekulare Genetik, konnten zeigen, dass die Anzahl der Histon-Modifikationen im Anfangsbereich eines Gens Rückschlüsse auf die Aktivität des betreffenden Gens erlaubt.

Dabei reicht es aus, nur einige wenige Modifikationen zu kennen. Drei oder vier Änderungen bestimmen die Aktivität eines Gens. Das gilt nicht nur für weiße Blutkörperchen, die Erkenntnisse der Berliner Wissenschaftler können auch zu Vorhersagen in anderen Zelltypen verwendet werden. "Die Kommunikationswege zwischen den Histon-Modifikationen und der Maschinerie zum Ablesen von Genen müssen sehr kurz sein", sagt Ho-Ryun Chung, Wissenschaftler in der Abteilung Bioinformatik. Zudem scheinen Gene mit speziellen Aufgaben anders reguliert zu werden als Gene, die Grundfunktionen erfüllen. Denn zu ihrer Regulierung werden jeweils unterschiedliche Histon-Modifikations-Kombinationen eingesetzt, wie die Forscher herausfanden.