Hohe Informationsdichte 3-D-Modell verrät Geheimnisse des Erbguts

Wie verpackt man einen Strang von zwei Metern Länge in eine Kugel, die einen Durchmesser von einem Hundertstel Millimeter hat? Beim menschlichen Erbgut gelingt der Natur genau das. Forscher haben den Trick nun durchschaut.

Leonid A. Mirny / Maxim Imakaev

Washington - Das menschliche Erbgut ist außerordentlich platzsparend verpackt. Drei Milliarden DNA-Basenpaare passen in einen Zellkern, der einen Durchmesser von nur einem hundertstel Millimeter besitzt. Bisher rätselten Wissenschaftler, wie genau das gelingen konnte.

Klar ist, dass das Erbgut in einer Doppel-Helix - einer Art verdrehten Strickleiter - angeordnet ist. US-Forscher haben nun ein dreidimensionales Modell der menschlichen DNA gebaut, das mit bislang unerreichter Klarheit zeigt, wie die Gene angeordnet sind. Dabei kamen sie zwei Tricks auf die Spur, mit denen es die Zelle schafft, ihre zwei Meter lange Erbsubstanz auf minimalem Raum zu verstauen: Zum einen organisiert sie zwei Abteilungen, eine Art Ruheraum und eine Fabrik, in die sie jeweils die aktiven und die inaktiven Gene sortiert. Zum anderen formt sich die DNA zu einer perlenkettenartigen Struktur, die sich wie ein Wollknäuel verdrillt.

Die Informationsdichte in der Kugelstruktur sei Billionenmal höher als die in einem Computerchip, schreiben die Forscher um Eric Lander vom Broad Institute in Cambridge (US-Bundesstaat Massachusetts) im Fachmagazin "Science". Die spezielle Anordnung verhindere auch, dass sich das Erbgut verheddere und die Zelle ihr eigenes Genom nicht mehr lesen könne.

"Mit der Laubsäge ein dreidimensionales Puzzle hergestellt"

Um die räumliche Struktur des Genoms sichtbar zu machen, verklebten die Wissenschaftler eng im Zellkern beieinander liegende DNA-Stränge. Anschließend identifizierten sie diese. "Das Genom wird so in Millionen Stücke zerlegt und dann wieder zu einer räumlichen Karte zusammengestellt, die nachbarschaftliche Beziehungen zeigt", erklärt Mitautorin Nynke van Berkum. "Wir haben sozusagen mit der Laubsäge ein dreidimensionales Puzzle hergestellt und es dann mit Computerhilfe wieder zusammengesetzt."

Das 3-D-Modell verrate, dass die Zellen ihr Erbgut auf zwei Abteilungen verteilten, berichtet Job Dekker, Systembiologe an der Harvard Medical School. In der ersten befänden sich die aktiven Gene, leicht erreichbar für Proteine und andere Steuerelemente. Im zweiten Séparée stecke die passive DNA, die sehr eng zusammengepfercht sei. Die einzelnen Erbgut-Moleküle wechselten je nach Anforderung zwischen der Fabrik und dem Ruheraum, wobei sich die jeweils aktiven Regionen annäherten.

Für die Speicherung von Informationen hat die Natur zusätzlich eine superdichte, knotenfreie Struktur geschaffen: Die DNA ballt sich in der sogenannten Fraktalkugel extrem dicht zusammen - ohne dass sie bei der Entfaltung, die für die Zellteilung notwendig ist, behindert wird. Die Fraktalkugel-Architektur war als theoretische Möglichkeit schon vor über 20 Jahren diskutiert worden. Erst die Entwicklung des neuen Verfahrens, das die nachbarschaftlichen Beziehungen einzelner Gene offenlegt, hat nun Klarheit geschaffen.

chs/ddp/AFP



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