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DNA-Loop-Extrusion-Modell

von Melanie Erzler (Laborjournal-Ausgabe 5, 2018)


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Stichwort

Würde man die DNA einer menschlichen Zelle der Länge nach ausrollen, entstünde ein Faden von stolzen zwei Metern Länge. Wie dieser im Zellkern in Form von Chromosomen mit wenigen Mikrometern Länge verpackt werden kann, ist kaum vorstellbar. Bereits Ende des 19. Jahrhunderts beobachtete Walther Flemming, dass sich der Inhalt des Nukleus vor jeder Zellteilung in definierten Strukturen ordnet, die während der Mitose auf die zwei Tochterzellen aufgeteilt werden. Befindet sich die Zelle gerade nicht im Teilungsprozess, liegt das DNA-Molekül allerdings nicht so geordnet vor, sondern gleicht eher einem in Unordnung geratenen Wollknäuel. Wie die DNA-Stränge in Chromosomen verpackt werden, ist ein komplexer Prozess. Wissenschaftlern ist es gelungen, eine der Kernfragen der DNA-Verpackung zu klären.

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Haken versus Schlaufen

Schon lange vermuten Molekularbiologen, dass ringförmige Komplexe aus der Familie der SMC-Proteine (Structural Maintenance of Chromosomes), die sogenannten Condensine, eine Schlüsselrolle bei der Chromosomenkondensation spielen. Zum Mechanismus, mit dem Condensine die DNA in eine geordnetere Struktur bringen, gab es im Wesentlichen zwei Hypothesen: Zum ersten Lager zählten Forscher, die Condensine als eine Art Haken sahen, der den DNA-Strang an verschiedenen Punkten aufnimmt und beliebig verknüpft. Dahingegen nahmen Vertreter des zweiten Lagers an, dass Condensine durch ihre Ringform nebeneinanderliegende Schlaufen bilden können und so die DNA verdichten.

Im November 2017 veröffentlichte eine Gruppe um Cees Dekker vom Kavli Institut in Delft und Christian Häring vom EMBL in Heidelberg eine Arbeit, die stark in die Richtung der Schlaufenbildner-Theorie deutete (Science 358: 672-6). Legte das Team DNA-Moleküle auf einer Oberfläche aus und gab Condensin-Moleküle dazu, die mit Licht-emittierenden Quantenpunkten gelabelt waren, so konnte es eine Motorfunktion des Condensin-Komplexes beobachten. Offensichtlich wanderten die Condensin-Moleküle auf den DNA-Strängen als Translokasen entlang. Das gleiche spielte sich ab, wenn die Gruppe statt Condensin den DNA-Strang markierte. Der Proteinkomplex schien ein Stück DNA in Relation zu einem anderen zu bewegen. Dieser Prozess war ATP-getriggert – ohne Treibstoff keine Bewegung. Alles in allem ein starker Hinweis, keineswegs aber ein Beweis für die Hypothese der Schlaufenbildung.

DNA in Orange

Den Beweis lieferte die Gruppe schließlich mit einem sehr geradlinigen Ansatz: Sie filmte Condensin und DNA in Aktion (Science 360: 102-5). Dafür brachte das Team einen circa 50.000 Basenpaare langen, mit Sytox Orange gefärbten DNA-Strang auf einer Quartz-Oberfläche auf und fixierte die beiden Enden über Biotin-Streptavidin-Linker. Die DNA hatte hierdurch viel Spiel. Nach der Zugabe von Condensinen und ATP beobachteten die Forscher einen deutlich heller werdenden Farbpunkt entlang des Fadens – hier wurde die DNA offensichtlich nach und nach verdichtet. Um die Kondensation unter dem Mikroskop erkennen zu können, entzerrten die Wissenschaftler den Strang mit einer strömenden Flüssigkeit und formten ihn zu einem U. In der Echtzeit-Bildgebung konnten sie hierdurch deutlich eine entstehende Schlaufe erkennen. Diese war stabil und zerriss nur gelegentlich. Dies aber immer in einem diskreten Schritt – ein Zeichen dafür, dass jeweils ein einzelner Condensin-Komplex eine Schlaufe bildet.

Zur Überraschung der Forscher stellte sich heraus, dass die Schlaufenbildung asymmetrisch vonstattengeht: Condensin verankert sich auf der DNA und zieht nur ein Ende des Strangs durch den Ring. Der Proteinkomplex arbeitet sehr flink: Er befördert bis zu 1.500 Basenpaare pro Sekunde durch den Ring, wobei die Geschwindigkeit von der Spannung des DNA-Strangs abhängt. Dabei bewegt er sich nicht wie vielfach angenommen Basenpaar um Basenpaar voran, sondern nimmt deutlich größere Schritte von circa 50 Nanometern – dadurch sinkt der ATP-Verbrauch.

Krebs-Kandidaten?

Diese Beobachtungen sind zunächst einmal ein Erkenntnisgewinn für die Grundlagenforschung und lösen ein jahrzehntelanges Rätsel. Sie sind aber auch medizinisch relevant: Mutationen der SMC-Familie sind assoziiert mit dem Cornelia-de-Lange-Syndrom, das zu multiplen Fehlbildungen führt. Außerdem sind Proteine, die so elementar in Zellteilungsprozessen sind, immer wichtige Kandidaten in der Krebsentstehung. Zunächst wollen die Gruppen um Häring und Dekker aber die Details der Condensin-Motorfunktion klären.



Letzte Änderungen: 08.05.2018

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