Die DNA ist der Träger unserer Erbinformation und damit eine Art Referenzbibliothek für alle unsere Zellen. Entsprechend umfangreich ist sie: Allein die DNA aus einer einzigen menschlichen Zelle ist rund zwei Meter lang, bei einigen Pflanzen stecken in jeder Zelle sogar fast 100 Meter an DNA. Diese liegt normalerweise lose-klumpig verknäuelt im Zellkern. Vor jeder Zellteilung muss das Erbgut jedoch in eine kompakte „Transportform“ überführt werden: die Chromosomen. Wie genau diese säuberliche Verpackung der DNA stattfindet, war lange Zeit unklar. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler jedoch mehr Aufschluss über diese Mechanismen gewonnen. Demnach legen sogenannte Condensin-Proteine die DNA in Schlaufen und Falten und bringen sie so Schritt für Schritt in eine kondensierte Form. Diese kompakte DNA wird dann unter Mitwirkung der sogenannten Histonproteine im Chromatin der Chromosomen weiterverpackt. Nur durch diesen Mechanismus kann die DNA zehntausendfach komprimiert und zu kompakten Chromosomen zusammengeschnürt werden.
Spirale oder nicht-helikale Faltung?
Strittig war jedoch bisher, wie das Chromatin in den Chromosomen angeordnet ist. Einige Modelle gehen davon aus, dass das Chromatin in der Metaphase der Mitose in jeder Schwesterchromatide in Form einer Spirale angeordnet ist, dem sogenannten Chromonema. Nicht-helikale Modelle nehmen dagegen an, dass das Chromatin innerhalb der Chromatiden gefaltet ist, ohne eine Spirale zu bilden. „Die Darstellungen in Lehrbüchern suggerieren, dass die Ultrastruktur der Chromosomen gut verstanden ist. Das ist aber nicht der Fall“, sagt Seniorautor Veit Schubert vom Leibniz-Institut für Pflanzengenetik und Kulturpflanzenforschung (IPK) in Gatersleben. Zwar legten mikroskopische Analysen eine spiralige Windung bei verschiedenen Pflanzenzellen, bei Hühnern und auch in menschlichen Zellkulturen nahe. Andere Studien konnten diese Spiralstruktur jedoch nicht finden. Es fehlte die direkte Visualisierung des gewundenen Chromonemas zur Bestätigung des Spiralmodells.
Dies ist nun dem Team um Schubert und Erstautorin Ivona Kubalova gelungen. Für ihre Studie nutzten die Wissenschaftler hochauflösende Mikroskopietechniken, eine Konformationserfassung (Hi-C) an isolierten mitotischen Chromosomen sowie eine spezielle Fluoreszenzmarkierung einzelner DNA-Abschnitte, um die übergeordnete Struktur des Chromatins in den Chromosomen sichtbar zu machen. Als Modell-Organismus verwendeten sie dabei das Erbgut der Kulturgerste (Hordeum vulgare), weil dessen insgesamt 4,88 Milliarden Basenpaare umfassendes Genom besonders große Chromosomen bildet. Zudem lassen sich die kondensierten Metaphase-Chromosomen bei dieser Pflanze besonders gut isolieren und untersuchen.
