Chromatin - Struktur, Dynamik und Funktion

Das Genom eines Menschen, die Gesamtheit seiner Erbinformation also, befindet sich auf fadenförmigen DNA-Molekülen, die aneinander gereiht etwa zwei Meter lang sind. Zur Aufbewahrung in dem nur wenige Mikrometer kleinen Zellkern werden die DNA-Moleküle um molekulare Spulen - den Nukleosomen - gewickelt, die aus Histon-Proteinen bestehen. Die Organisationsform der DNA im Zellkern, zu der neben den Histonen noch eine Vielzahl anderer Proteine beiträgt, bezeichnet man als Chromatin. Diese Verpackung löst nicht nur ein Raumproblem, sondern dient auch dem Schutz der Erbinformation: Eine fehlerhafte Verpackung kann zu Schädigungen und zum Absterben beziehungsweise der Entartung der betroffenen Zelle führen.

Die Notwendigkeit der Kompaktierung des Genoms führt zwangsläufig zu hohen Packungsdichten, die einer Nutzung der in den Genen festgelegten Erbinformation zur Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge häufig im Wege stehen. Die Struktur des Chromatins ist daher eine dynamische, die ein geregeltes "Auspacken" derjenigen DNA-Bereiche, deren Information genutzt werden soll, ermöglicht. Die strukturellen Ebenen des Chromatins und die Prinzipien, die durch Änderung des Verpackungsgrades eine Nutzung des Genoms ermöglichen, sind nur in Umrissen verstanden.

Genaktiviät ist untrennbar mit Änderungen in der Organisation des Chromatins verbunden. Die Arbeitsgruppe von Peter Becker beschäftigt sich schon seit vielen Jahren mit den molekularen Mechanismen, die den dynamischen Änderungen der Verpackung des Genoms zugrunde liegen. Dabei dient die Taufliege Drosophila melanogaster als wichtiger Modellorganismus. Faktoren und Prinzipien von grundlegender Bedeutung werden im Laufe der Evolution der Arten beibehalten, und so ist auch die Chromatin-Organisation in Fliegen der in menschlichen Zellen sehr ähnlich. Die Kombination von biochemischen sowie molekular- und zellbiologischen Techniken mit genetischen Methoden macht Drosophila zu einem hervorragenden Untersuchungsobjekt. Häufig, wie auch in den Arbeiten des Teams von Peter Becker, ermöglichen Entdeckungen am Fliegenmodell erst nachfolgend die Identifizierung homologer Sachverhalte beim Menschen.

Chromatin-Struktur und -Dynamik wird durch die Wirkung von Enzymen bedingt, molekularen Maschinen also, die Strukturen aktiv verändern. Wie diese Aktivitäten zeit- und ortsabhängig reguliert werden, ist eine der spannendsten Fragen gegenwärtiger Forschung. Ein weiterer Schwerpunkt der Forschungen von Peter Becker und seiner Gruppe ist die Beantwortung der Frage, wie die im ATP-Molekül gespeicherte biochemische Energie zur Änderung von DNA-Histon-Wechselwirkungen eingesetzt werden kann.

Das Zusammenspiel einer Vielzahl regulatorischer Proteine kann Chromatin-Strukturen so verändern, dass die darin vorliegenden Gene im Extremfall vollständig und dauerhaft stillgelegt oder aber ständig und in hohem Maße genutzt werden. Vollkommen unverstanden sind daneben die von den Molekularbiologen beobachteten feinen Modulierungen von Genaktivität, die durch subtile Änderungen der Chromatin-Struktur bedingt werden. Ein als "Dosis-Kompensatio" bekanntes Phänomen in Drosophila beschreibt noch kaum verstandene Chromatin-Eigenschaften, die zu einer gerade mal zweifach verbesserten Nutzung von Genen führen. Dass selbst solche kleinen Aktivitätsunterschiede für einen Organismus wesentlich sein können, zeigt die Tatsache, dass Fliegen sterben, die aufgrund von Mutationen ihre Chromatin-Verpackung nicht mehr entsprechend regulieren können. Die molekularen Grundlagen dieser subtilen Zusammenhänge zwischen Struktur und Funktion aufzuklären wird für die nächsten Jahre eine Herausforderung für das Team um Peter Becker bleiben.

Peter B. Becker
Januar 2005