DNA: Im Zickzack verpackt

Vom Knäuel zum geordneten Paket: Forscher haben neue Erkenntnisse über die Verpackung der DNA in unseren Chromosomen erlangt – dem fundamentalen Schritt, der vor jeder Zellteilung stattfindet. Bei ihren Experimenten entdeckten sie eine bisher völlig unbekannte Variante des Packprozesses: Anstatt das Erbgut in einzelne Schlaufen zu legen, können die dafür zuständigen Proteine auch in Paaren zusammenarbeiten und die DNA in eine Art Zickzack-Struktur bringen.

Normalerweise liegt die DNA in unseren Zellen klumpig-verknäult vor – wie Spaghetti auf einem Teller. Doch vor jeder Zellteilung muss das Erbgut in seine kompakte Transportform überführt werden: die Chromosomen. Wie genau diese säuberliche Verpackung der DNA stattfindet, war lange Zeit unklar. 2017 beobachteten Forscher jedoch, dass das Erbgut in den Chromosomen offenbar weniger gleichförmig und „ordentlich“ verpackt wird als lange angenommen.

2018 konnten Wissenschaftler dann in Echtzeit beobachten, dass sogenannte Condensin-Proteine die DNA in Schlaufen legen und Schritt für Schritt in eine kondensierte Form bringen. „Wir wollten nun wissen, ob die damals von uns beobachteten Strukturen alles sind oder ob es noch weitere Varianten der Verpackung gibt“, erklärt Eugene Kim von der Technischen Universität Delft. Dabei interessierte das Forscherteam auch, wie unterschiedliche Condensin-Komplexe zusammenarbeiten und sich gegenseitig beeinflussen.

Erbgut im Zickzack

Um dies herauszufinden, beobachteten Kim und seine Kollegen Hefe-Condensine bei der Arbeit. Mithilfe einer speziellen Methode gelang es ihnen dabei, einzelne DNA-Moleküle isoliert auf einer Glasplatte zu betrachten und immer wieder „Schnappschüsse“ der jeweiligen Verpackungsschritte zu erstellen.

Überraschenderweise zeigte sich dabei nicht nur, dass sich einzelne DNA-Schlaufen gegenseitig zu beeinflussen scheinen. So schrumpften bereits bestehende Schlaufen oftmals, wenn eine zweite hinzukam. Darüber hinaus identifizierten die Forscher auch eine ganz neue, bisher unbekannte Form der DNA-Faltung. „Diese unterschied sich deutlich von den Einzelschlaufen und tauchte sogar häufiger auf als diese“, berichtet Kim. „Wir nennen diese Struktur Z-Schlaufe, weil die DNA in die Form des Buchstaben Z gelegt wird und eine Art Zickzack-Struktur bildet.“

Wenn sich zwei Condensine treffen

Wie aber kommt es zu dieser Verpackungsvariante? Wie die Analysen enthüllten, entsteht die Z-Schlaufe immer dann, wenn sich zwei Condensine treffen. Im Detail läuft dies so ab: Zunächst beginnt ein Condensin-Protein eine DNA-Schlaufe zu bilden. Dann bindet ein zweites Condensin an eine Stelle dieser Schlaufe und bildet quasi eine Schlaufe in der Schlaufe.

Bei diesem Prozess treffen die beiden Proteinkomplexe irgendwann aufeinander und dann passiert etwas Erstaunliches. Anstatt sich gegenseitig zu blockieren, hüpft das eine Condensin über das andere hinweg und setzt seinen Weg entlang der DNA außerhalb der ersten Schlaufe weiter fort. Im Laufe dieses Vorgangs entsteht schlussendlich die Z-Schlaufe – drei zu einem flachen Zickzack zusammengelegte DNA-Doppelstränge, die an ihren Enden durch Condensine miteinander verbunden sind.

„Wir waren sehr überrascht zu sehen, dass Condensin-Komplexe einander passieren können. Gängige Modelle gehen davon aus, dass sie sich blockieren müssten“, berichtet Kims Kollege Cees Dekker.

Arbeit von zwei Seiten

Normalerweise arbeiten Condensine nur in eine Richtung. Durch diese Form der Zusammenarbeit in Paaren können sie jedoch DNA von zwei Seiten gleichzeitig organisieren, wie die Wissenschaftler erklären. Ein weiterer Vorteil: Bei den bisher beobachteten Mechanismen bleiben oftmals Lücken zwischen einzelnen gebildeten Schlaufen. „Die neu entdeckten Z-Schlaufen könnten solche Lücken füllen“, so das Team.

Mit diesen Einblicken erweitert sich erneut das Wissen um den komplizierten Prozess der DNA-Verpackung – einen der fundamentalsten Prozesse in unseren Zellen. „Die Ergebnisse legen nahe, dass Condensine die kompakte Chromosomen-Verpackung durch eine Vielzahl unterschiedlicher Schlaufenstrukturen erreichen“, so das Fazit der Wissenschaftler.

Relevant für die Medizin

Auf lange Sicht könnte ein besseres Verständnis der DNA-Verpackungsmethoden auch Auswirkungen für die Medizin haben. „Es spielt eine wichtige Rolle, um die molekularen Grundlagen ernsthafter Erkrankungen ausfindig zu machen“, erklären die Forscher in einer Mitteilung. Denn Probleme mit der Proteinfamilie, zu denen auch die Condensine gehören, stehen mit einer Reihe von Erbkrankheiten wie dem Cornelia-de-Lange-Syndrom in Verbindung. Zudem können Fehler bei der Erbgutorganisation Krebs begünstigen. (Nature, 2020; doi: 10.1038/s41586-020-2067-5)

Quelle: Technische Universität Delft