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Struktur des Chromatins

Struktur des Chromatins

… verändert nach Buselmaier/Tariverdian „Humangenetik“ 1991:

Aufbau eines Chromosoms

Wie ist die DNA in Chromosomen verpackt?

Zwei gegenläufige DNA-Moleküle bilden eine Doppelhelix. Das Chromatin besteht aus einer spezies-spezifischen Anzahl solcher DNA-Doppelstränge. Das Chromatin wird während der Mitose im Lichtmikroskop in verdichteter Form als Chromosomen sichtbar (Abb. 1).

Abbildung 1 (Metaphasechromosom des Chinesischen Hamsters)

 

Einzelne eukaryontische Chromosomen sind im Interphasekern nicht sichtbar. Die DNA-Fäden besitzen einen Durchmesser von 20Å-30Å und eine durchschnittliche Länge von 5 cm in einem menschlichen Chromosom. Würde man alle menschlichen Chromosomen aneinanderreihen und lang ausgestreckt messen, so ergäbe dies einen Faden von ca. 2 m Länge. Bei einem Kerndurchmesser von ca. 5 µm muss also ein starkes Ordnungsprinzip existieren.

Isoliert man das Chromatin aus Zellkernen und untersucht es chemisch, so findet man neben DNA (und einer kleinen Menge RNA) zwei Hauptklassen von Proteinen:

•             fünf verschiedene Typen von basischen Histonen (H1, H2A, H2B, H3, und H4) und

•             eine heterogene Gruppe von Nicht-Histonproteinen,

die z.B. eine Anzahl von Enzymen enthält. Die Histone sind für die strukturelle Organisation der Chromosomen offenbar die wichtigere Gruppe von Proteinen. Sie enthalten viele basische Aminosäuren und haben daher durch ihre positive Ladung eine hohe Affinität zur negativen Ladung der DNA. Dabei bilden die Histone H2A, H2B, H3 und H4 an den Polen abgeflachte Proteinkugeln, Oktamere aus den Dimeren der vier verschiedenen Histone. Jede Proteinkugel ist von dem DNA-Faden mit 1,8 Linkswindungen, was 146 Basenpaaren entspricht, umwickelt. Man bezeichnet einen solchen Komplex als Nukleosomencore. Der fünfte Typ von Histon, H1, ist außerhalb dieser Nukleosomen-coren gelagert und mit DNA variierender Länge (15-100 Basenpaare) assoziiert. Diese DNA verbindet ein Nukleosom mit dem anderen und wird somit als Linker-DNA bezeichnet. Fortlaufende Einheiten von ca. 200 Basenpaaren bilden die Nukleosomen-Fiber mit einem Durchmesser von 100Å.

Auch die H1-Histone verkürzen den DNA-Faden weiter, indem mit ihrer Hilfe mehrere Nukleosomen helikal aufgedreht werden. Dies führt zu einer Verkürzung um das 40fache. Diese Struktur wird als Elementarflbrille bezeichnet, hat eine Dicke von 300Å und wird durch Schleifenbildung nochmals um das 20fache verkürzt. Eine weitere Aufwindung im Metaphasechromosom führt schließlich zu einem 20 000stel der ursprünglichen Länge des DNA-Fadens (Abb. 2 und Abb. 3).

Abbildung 2 (Struktur des Chromatins)

Abbildung 2 (Organisation der DNA im Metaphasechromosom)

Zusammenfassend lässt sich also festhalten, dass die DNA-Doppelhelix in den Chromosomen in mehrfach verdrillter Form vorliegt. Die genetische Information eines Organismus ist also auf verschiedene Verpackungseinheiten verteilt. Jede Verpackungseinheit enthält eine große Zahl von funktionellen Informationseinheiten, weiche als Gene bezeichnet werden. Die

Gene liegen in einer linearen Anordnung im Chromosom vor. Jedes Chromosom ist die Kopplungsgruppe für die in ihm befindlichen Gene. Gene, die auf großen Chromosomen weit voneinander entfernt liegen, werden so vererbt, als ob sie nicht gekoppelt wären, da sie normalerweise immer durch Crossing-over-Prozesse getrennt werden. Man spricht dann von Syntänie.

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© F. Neubeck 2013

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