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Erbgut ordnet sich während der Entwicklung neu
Die räumliche Anordnung des Erbguts im Zellkern spielt eine wichtige Rolle für die Entwicklung eines Lebewesens. Forschende der Universität Basel und der Harvard Universität haben eine Methode entwickelt, mit der sich Chromosomen in einzelnen Zellen verfolgen lassen. So konnten sie erstmals zeigen, dass sich das Erbgut während der Embryonalentwicklung umorganisiert. Die Studie ist in «Molecular Cell» erschienen.
Unser Körper besteht aus verschiedensten Zellen mit unterschiedlichsten Aufgaben. Doch egal ob Herz-, Leber- oder Nervenzelle, sie alle enthalten die gleiche Erbinformation. Dass sich Zellen so unterschiedlich entwickeln, liegt daran, dass immer nur Teile der Chromosomen abgelesen werden. Einige Gene sind somit aktiv, andere dagegen auf stumm geschaltet.
Für die Aktivierung von Genen spielt die Art und Weise der Verpackung sowie die räumliche Anordnung des Erbguts im Zellkern eine entscheidende Rolle. Die 3D-Architektur hat sich nun das Team von Prof. Susan Mango am Biozentrum der Universität Basel genauer angeschaut. Mit einer neuartigen Technik konnten sie einzelne Chromosomen während der embryonalen Entwicklung von Fadenwürmern verfolgen und zeigen, dass diese sich in der frühen Phase anders anordnen.
Anordnung von Chromosomen ist nicht zufällig
Aneinandergereiht wären alle DNA-Moleküle einer Zelle etwa zwei Meter lang. Damit die DNA in den nur wenige Mikrometer grossen Zellkern passt, muss sie dicht gepackt sein. Die einzelnen DNA-Fäden sind daher eng aufgewickelt und verpackt und bilden das Chromosom. Die Art und Weise wie sie aufgewickelt sind, bestimmt, welche Gene auf dem Chromosom abgelesen werden.
Die Forscher um Prof. Susan Mango haben in ihrer Studie die Organisation einzelner Chromosomen während der frühen Embryonalentwicklung untersucht. Als Modell dienten ihnen embryonale Zellen des Fadenwurms C. elegans. «Mithilfe einer neuartigen Technik konnten wir in einzelnen Zellen mitverfolgen, wie sich die Chromosomen zu Beginn der Embryogenese räumlich anordnen», sagt Mango. «Der Vorteil dieser Methode ist, dass die Zellen und das Gewebe dabei vollkommen intakt bleiben.»
Frühe Chromosomen sind hantelförmig
Seit längerem ist bekannt, dass im Chromosom sich Regionen mit ähnlichen funktionellen Eigenschaften zusammenfinden und interagieren. So gibt es zwei voneinander abgegrenzte Bereiche, einen aktiven und einen stillgelegten. «In der frühen Phase der Embryonalentwicklung sind die Chromosomen jedoch etwas anders organisiert», sagt Ahilya Sawh, Erstautorin der Studie. «Im frühen Embryo haben sie eine hantelähnliche Form, in der Mitte befindet sich der aktive Bereich und an den beiden Enden die inaktiven.» Für diese Hantelform, so haben die Forscher herausgefunden, braucht es die Kernlamina - ein Proteinnetz, welches die Innenseite des Zellkerns auskleidet. Sie ist an den inaktiven Bereichen befestigt und zieht das Chromosom auseinander.
Chromosomen organisieren sich während Embryonalentwicklung um
«Erst ab einem späteren Zeitpunkt in der embryonalen Entwicklung, wenn die Keimblätter entstehen, sehen wir die bereits zuvor bekannte Abgrenzung in einen aktiven und einen inaktiven Bereich», erklärt Mango. «Durch unsere Chromosomen-Verfolgung konnten wir erstmals zeigen, dass sich die Chromosomen während der frühen Entwicklung neu anordnen, ein Reifungsprozess, bei dem die Kernlamina eine wichtige Rolle spielt.»
Die Umorganisation der Chromosomen geht mit der Reifung der Zellen einher und ist ein wichtiger Schritt in der Entwicklung eines komplexen Organismus. Eine korrekte Chromosomen-Architektur ist wichtig, damit keine Entwicklungsstörungen auftreten.
Weiterführende Links
Originalarbeit
Ahilya N. Sawh, Maxwell E.R. Shafer, Jun-Han Su, Xiaowei Zhuang, Siyuan Wang, and Susan E. Mango
Lamina-dependent stretching and unconventional chromosome compartments in early C. elegans embryos
Molecular Cell (2020), doi: 10.1016/j.molcel.2020.02.006
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| Erbfaktoren - Gene - DNA |
Zu den Hauptbestandteilen eines Zellkerns gehören die «Nukleoproteide». «Nukleoproteide» sind Substanzen, die aus «Nukleinsäuren» und einem Protein (Eiweiss) bestehen. Die «Nukleinsäuren» steuern die Bildung der Enzyme in den Zellen. Sie sind damit die Träger der «Erbfaktoren = Gene = Genome». Eine wichtige «Nukleinsäuren» ist die «Desoxyribonukleinsäure (DNS)». Die DNS wird auch DNA (engl. A = Acid = Säure) genannt. Die DNS ist in den Chromosomen lokalisiert. Bei der Zellkernteilung werden die Chromosomen längs geteilt. Jeder der geteilten Zellkerne enthält jeweils die Hälfte jedes einzelnen Chromosoms.
Die DNA enthält den gesamten Bauplan eines Organismus. Aufgrund dieser Anleitung weiss jede Zelle, wie sie sich entwickeln und welche Aufgabe sie erfüllen muss.
Die Chromosomen (griech: Farbkörper) befinden sich in den Zellen von Lebewesen. Der wichtigste Bestandteil der Chromosomen ist bei den meisten Lebewesen die «Desoxyribonucleinsäure (DNS). Die Chromosomen sind die Träger der Erbanlagen. Die Reihenfolge der Gene in den Chromosomen ist ein wichtiger Indikator für die Identität eines Lebewesens. |
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