Chromosomen: Der Aufbau des
Chromatins steuert die Zellaktivität

In Kürze
Im 19. Jahrhundert, als die Biologie noch in den Kinderschuhen steckte, machte eine einfache Farbreaktion Chromosomen unter dem Mikroskop sichtbar. Die Biologie hat sich seitdem grundlegend gewandelt, doch Chromosomen beschäftigen die Wissenschaft noch immer - vielleicht sogar mehr denn je. Die Technik des 21. Jahrhunderts soll endlich die offenen Fragen klären. Denn Chromosomen sind mehr als passive Träger der Erbinformation, sie bestimmen auch, welche Teile davon genutzt werden.
A) Kondensierte Chromosomen kurz vor der Zellteilung. B) Mikroskopische Aufnahme von gefärbten Chromosomen im Kern einer Zelle, die sich nicht teilt. C) Schema mit Position der einzelnen Chromosomen (Bild: Bolzer et al., PLoS Biology 2005)
1888 benutzte ein deutscher Anatom erstmals den Begriff Chromosom für Strukturen, die er im Inneren der Zellen anfärben konnte (chroma, grch. für Farbe). Diese Färbungen enthüllten jene X-förmigen Gebilde, die uns aus dem Schulbuch wohl vertraut sind. Doch nur während der Zellteilung liegen Chromosomen in der X-förmigen, "kondensierten" Form vor - das verdoppelte Genom kann so in die Tochterzellen aufgeteilt werden. Am Ende der Zellteilung entfalten sich die Chromosomen und werden für das Mikroskop unsichtbar.
Könnte man menschliche Chromosomen entrollen und hintereinander legen, enstände ein Faden von fast zwei Meter Länge. Dieser presst sich jedoch in einen Zellkern, der einen Durchmesser von einem hundertstel Millimeter hat. Wer glaubt, dass vollständiges Chaos die Folge ist, liegt falsch: Innerhalb des Zellkerns herrscht höchste Ordnung.
Die DNA-Doppelhelix windet sich um Histone wie um kleine Protein-Spindeln. Diese "Nukleosomen" werden vor der Zellteilung noch weiter verpackt und zu mikroskopisch sichtbaren Chromosomen "kondensiert". (Bild: US NLM)

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In Kürze

  • im Mikroskop sichtbar sind Chromosomen nur während der Zellteilung, zu anderen Zeitpunkten füllen sie den Zellkern vollständig aus
  • ein Chromosom besteht aus DNA und Proteinen; dies wird auch Chromatin genannt
  • bis zu 15 verschiedene Formen von Chromatin werden beschrieben
  • die Form des Chromatins hat einen direkten Einfluss auf die Aktivität von Genen
Alles hat seinen festen Platz: Chromosomen mit vielen Genen kommen in die Mitte des Kerns, die anderen werden eher an den Rand gedrängt. Auch die Faltung des Chromosoms ist nicht zufällig. Bereiche mit vielen aktiven Genen liegen außen, ruhende Abschnitte werden im Inneren des Knäuels versteckt1. Diese Anordnung garantiert, dass lebenswichtige Gene immer leicht zugänglich sind.
In erster Linie ist es jedoch die Fein-Struktur der Chromo­somen, welche die Aktivität der Gene steuert. Chromo­somen bestehen aus einem DNA-Faden, an dem eine Vielzahl von Proteinen haftet - beides zusammen wird Chromatin genannt. Entscheidend für Struktur des Chromatins sind die Histon-Proteine: Sie tragen eine positive Ladung und können so die negativ geladene DNA aufwickeln. Wie kleine Kernspindeln sorgen sie für die optimale Verpackung der DNA auf kleinstem Raum. Gleichzeitig steuern Histone die Genaktivität, denn zu dicht verpackte DNA ist nicht zugänglich und kann daher nicht abgelesen werden.
Diese beiden Pack-Varianten der DNA nennt man Eu- und Heterochromatin. Euchromatin ist locker verpackt, leicht zugänglich und die darauf liegenden Gene sind leicht zu aktivieren. Bei dem dicht verpackten Heterochromatin hingegen sind große Bereiche des Chromosoms weitgehend abgeschaltet.
Die Aufteilung des Chromatins in zwei Formen ist jedoch eine grobe Vereinfachung: Neueste Untersuchungen definieren bis zu 15 verschiedene Chromatin-Zustände2. Histone kommen in unterschiedlichen Varianten vor, welche die Genaktivität unterschiedlich beeinflussen. Zusätzlich können Histone mit Markierungen versehen werden, was deren Funktion ebenfalls modifiziert3. Und schließlich wird auch die DNA chemisch verändert und durch das Anhängen von kleinen Molekülen inaktiviert (siehe hierzu auch Epigenetik). Am Ende entsteht ein kompliziertes Muster, das präzise reguliert, welche Gene an- und welche abgeschaltet werden.
Die Genomforschung hat wesentlichen Anteil, dass die Vorgänge am Chromosom nun bis ins Detail untersucht werden können. Protein-Varianten des Chromatins werden samt daran gebundener DNA-Abschnitte aufgereinigt und der Buchstaben-Code der DNA vollständig sequenziert. Gezielt können einzelne Protein-Varianten des Chromatins aufgereinigt werden, und mit ihnen die daran gebundenen DNA-Abschnitte; deren Buchstaben-Code wird dann vollständig sequenziert.
Man beginnt langsam zu verstehen, welche Proteine wann und wo binden und was das für Auswirkungen haben könnte. Doch das menschliche Genom besteht aus drei Milliarden Buchstaben: Bis auch nur ein grober Überblick über die DNA-Protein-Wechselwirkung fertig wird, werden viele Jahre ins Land gehen.
Doch es schält sich bereits heraus, dass die Unterschiede zwischen den einzelnen Geweben beträchtlich sind. Herz-, Hirn- oder Blutzellen werden eindeutig davon geprägt, welche Muster auf ihren Chromosomen zu finden sind. Die Struktur des Chromatins bestimmt Identität und Funktion der Zelle.
1 Gondör et al., Chromosome crosstalk in three dimensions, Nature 2009, vol. 461, pp. 212-7 (link)
2 Ernst et al., Mapping and analysis of chromatin state dynamics in nine human cell types, Nature 2011, vol. 473, pp. 43-9 (link)
3 Bhaumik et al., Nature Structural & Molecular Biology 2007, vol. 14, pp. 1008-16 (link)
4 M. Baker, Genomes in three dimensions, Nature 2011, vol. 470, pp. 289-94 (link)
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