Wie verpackt eine Zelle ihr Durcheinander genetischer Daten in ordentliche Chromosomen für die Teilung? Immerhin ist die DNA in unseren Zellen etwa zwei Meter lang und muss in einen Zellkern von etwa 1/50 der Größe eines Salzkorns passen. Wie um alles in der Welt arrangiert es dieses Gewirr, bevor es sich in zwei Teile aufteilt?
Neue Forschungen haben den Prozess buchstäblich beleuchtet und einen Proteinkomplex namens Kondensin gefilmt, der Schleifen aus der DNA zieht.
Frühere Studien haben die Theorie aufgestellt, dass Kondensin wie ein winziger Motor wirkt, um Schleifen in der DNA zu erzeugen; Die Idee dahinter ist, dass viele dieser Faltungen es einer Zelle ermöglichen, ihr Genom für die Verteilung zwischen Tochterzellen zu komprimieren. Bisher ist diese Rolle jedoch nicht bewiesen. Durch Isolierung eines DNA-Moleküls und sorgfältige Ausrichtung mit einem Kondensinkomplex unter einem Mikroskop haben Wissenschaftler des Kavli-Instituts der Universität Delft und des EMBL Heidelber das Protein in Aktion gefilmt.
„Die Technik mag sehr unkompliziert erscheinen („Stell dir nur die DNA und das Kondensieren vor“), aber sie ist alles andere als trivial“, sagt Professor Cees Dekker, Leiter der Forschungsgruppe am Institut für Bionanowissenschaften in Delft, gegenüber Alphr . „Man muss die DNA ohne zu viel Fotoschaden abbilden.
„Wenn Sie Licht auf die DNA richten, um sie sichtbar zu machen, kann dieses Licht auch Schäden (sogenannte Lichtschäden) verursachen und daher die DNA brechen. Dies geschah zum Beispiel, als wir diese Forschung vor acht Jahren mit einem Standardfarbstoff begannen, der die DNA innerhalb von Sekunden einschneiden und brechen würde.“
Mahipal Ganji, Postdoc in der Cees-Dekker-Gruppe in Delft, erklärt, dass der erste Schritt des neuen Bildgebungsverfahrens darin bestand, zwei Enden eines DNA-Moleküls auf einer Oberfläche zu fixieren und vorsichtig einen Farbstoff aufzutragen:„Indem man dann einen Fluss in der Flüssigkeit anwendet Senkrecht zum Molekül haben wir die DNA U-förmig ausgerichtet und in die Fokusebene unseres Mikroskops gebracht. Erstaunlicherweise konnten wir dann eine einzelne Kondensinbindung sehen und mit der Extrusion einer Schleife beginnen.“
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Laut Dekker „schließt das Filmmaterial die Debatte“ über die Fähigkeit von Kondensin, Schleifen in der DNA zu bilden. Das Team beobachtete auch, dass das Aufrollen asymmetrisch ist, wobei Kondensin nur DNA von einer Seite seines Ankerpunkts zieht. Der Schleifenprozess benötigt nur eine bescheidene Menge an ATP, um das Kondensin anzutreiben, was darauf hindeutet, dass der Proteinkomplex die DNA nicht Base für Base zieht, sondern in großen Stücken. Der winzige Motor erledigt dies bemerkenswert schnell und bewegt bis zu 1.500 Basenpaare pro Sekunde.
Die Ergebnisse können nicht nur einen grundlegenden Mechanismus der Mitose und Meiose aufklären, sondern auch dazu beitragen, medizinische Probleme zu heilen, die mit der Familie von Proteinen verbunden sind, zu denen Kondensin gehört, die als SMC-Proteine bekannt sind. Wie Dekker erklärt, könnte uns dies helfen, besser zu verstehen, wie man Krebs bekämpft:
„Die SMC-Proteine sind entscheidend für die Organisation der Chromosomen. Eine Störung der korrekten Verteilung von chromosomalem Material an Tochterzellen wird mit Krebs in Verbindung gebracht. Das grundlegende Verständnis der SMC-Proteine steht somit im Mittelpunkt, um die störenden Prozesse zu verstehen, die zu Krebs führen. Genauer gesagt hängen Mutationen in den SMC-Proteinen mit Erbkrankheiten wie dem Cornelia-de-Lange-Syndrom zusammen.“
Die Ergebnisse des Kavli-Instituts der Universität Delft und des EMBL Heidelber werden heute in der Zeitschrift Science veröffentlicht .
Bildnachweis:Cees Dekker Lab TU Delft/Scixel