In jeder Zelle unseres Körpers steckt Erbinformation in Form der DNA. Würde man den gesamten DNA-Inhalt nur eines Zellkerns aneinander hängen, hätte dieser Strang eine Länge von zwei Metern. Damit all dies in den nur sechs Mikrometer kleinen Zellkern passt, ist das Erbgut verpackt: Die DNA windet sich um spezielle Proteine und bildet mit ihnen gemeinsam das Chromatin – ein Perlenketten-ähnliches Gebilde. Bei der Zellteilung sorgt das Chromatin dafür, dass sich das Erbgut zu Chromosomen zusammenzieht. Im Arbeitszustand der Zelle jedoch liegt das Chromatin unkondensiert als scheinbar chaotisches Spaghettiknäuel im Zellkern vor.
Geheimnisvoller Tanz
“Jüngste Experimente haben enthüllt, dass das Chromatin sich dabei ständig bewegt: Seine Abschnitte verlagern sich immer wieder für einige Sekunden um einige Mikrometer”, erklären David Saintillan von der University of California in San Diego und seine Kollegen. “Doch die dreidimensionale, räumlich-zeitliche Organisation des menschlichen Genoms im Zellkern bleibt eine der großen Fragen der Zellbiologie.” Das Problem: Das Geschehen im aktiven Zellkern ist extrem komplex und lässt sich nur schwer im Detail analysieren, ohne die Zelle – und damit auch die Chromatinbewegungen – zu zerstören und abzutöten.
Saintillan und sein Team wählten daher einen indirekten Ansatz: Sie bildeten das Chromatin und das Zellkernmilieu in einem Modell nach und simulierten auf Basis biophysikalischer Gesetzmäßigkeiten die möglichen Prozesse. Ihre Hypothese: Die teilweise koordiniert, teilweise chaotisch scheinenden Bewegungen des Chromatins entstehen durch molekulare Motoren – Enzyme, die beim Ablesen der DNA immer wieder Teile des Erbguts auseinanderfalten, andere dagegen nach getaner Arbeit zusammenziehen. In ihrer Simulation testeten die Forscher daher, welche Folgen diese lokalen Kontraktionen und Dehnungen im Chromatinstrang auf dessen Gesamtdynamik haben. “Wir haben dafür ein Modell entwickelt, bei dem das Chromatin von einer flexiblen Polymerkette repräsentiert wird, an der molekulare Motoren ansetzen. Diese wirken über Dipolkräfte auch auf Flüssigkeitsströmungen im System”, erklären die Wissenschaftler.
Ordnende Strömungen
Die Simulation ergab: Je nachdem, ob an einer Stelle ein Stück Chromatin gerade komprimiert oder aufgefaltet wird, ändert sich auch das Verhalten der umliegenden Windungen und Stränge des Erbguts. Ziehen die Enzyme den Erbgutstrang auseinander, um dort Gene abzulesen, erzeugt dies Strömungen in der Flüssigkeit, die das Chromatin umgibt, wie die Forscher berichten. Diese Strömungen sorgen dafür, dass sich benachbarte Chromatinteile parallel zur ausgefalteten Stelle ausrichten und sich in die gleiche Richtung bewegen – wie ein einem geordneten Tanz. Zieht sich dagegen ein Abschnitt des Erbguts wieder zusammen, stockt diese koordinierte Bewegung und die resultierende Strömung lässt die Stränge wieder in eine beliebige, chaotische Ausrichtung driften. Durch diesen Mechanismus erzeugen lokale Veränderungen am Erbgutstrang die experimentell beobachtbaren großräumigen Chromatinbewegungen im Zellkern, wie Saintillan und sein Team berichten.
