Kapitel 8 Ò Chromosomen und Genregulation

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1 Kapitel 8 Ò Chromosomen und Genregulation 8.1 Struktur eukaryontischer Chromosomen Ein menschlicher Zellkern ist nur zehn Mikrometer gross und (10-9 ) hat zwei Meter DNA drin. Damit es da kein Durcheinander gibt, binden Proteine an die DNA und falten sie zu kompaktem aber trotzdem geordnetem und lesbarem Chromatin.Ü Da die DNA so lang ist, wird sie auf eine artspezifische Anzahl Chromosomen (DNA- und Protein-B ndel) aufgeteilt. Nicht alle Proteine, die an der DNA kleben, sind zum Verpacken da: Einige sind auch zum markieren, nach welchen Genen gerade Proteine gebaut werden sollen (Genexpression) und andere werden beim Kopieren (Replikation) und Reparieren gebraucht. ãber die DNA-Lagerung bei Bakterien weiss man noch nicht so viel, ausser dass sie anders als bei Eukaryonten ist, und die DNA zu einem Ring zusammengeschlossen ist. Menschliche Zellen haben von jeden Chromosom zwei Kopien, eine von jedem Elternteil, die homologe Chromosomen genannt werden.ü Um die Chromosomen im Lichtmikroskop zu unterscheiden, werden sie mit Farbstoffen, die nur bestimmte DNA-Sequenzen fârben, markiert. Die Chromosomen sind wâhrend der Zellteilung (Mitose) viel dichter gepackt als wâhrend der normalen Wachstumsphase. Chromosomen werden mit drei DNA Sequenzen organisiert: Replikationsstartpunkt: Hier beginnt das kopieren. Es gibt mehrere pro Chromosom, damit es schneller geht. Centromer: Hier werden die Chromosomen mit einem Kinetochor nach der Verdoppelung auseinandergezogen. Telomer: Sequenzwiederholungen an beiden Enden, damit die DNA-Polimerase gut andocken kann und das Chromosom nicht von DNA-Zerstàr-Proteinen (Nucleasen) gefressen wird. Um die DNA zu verpacken, wird sie auf zweimal auf Nucleosomen aufgewickelt, welche aus acht Histonen bestehen. Histone sind positiv geladen, kànnen so an die negativ geladene DNA binden und ein neutrales Chromosom erzeugen. Histone sind so wichtig, dass sie bei allen Zellen, egal ob von Pflanze, Tier, oder Bakterium, nahezu gleich aufgebaut sind. Nachher wird die auf Nuclosomen aufgerollte DNA mit einem H1-Histon nochmals weiter zu einer 30-nm-Faser gepackt. Bis (1 von 5) :04:00

2 zum Mitosechromosom wird die DNA dann auf mysteriàse Weise weiter verpackt. Bereiche der DNA, wo gerade Gene in Proteine verwandelt (transkribiert) werden sind allgemein lockerer gepackt. Die am dichtesten gepackten Regionen werden als Heterochromatin bezeichnet und die dort ansâssigen Gene sind inaktiv. Bei Frauen wird bei jeder Zelle zufâllig eines der X-Chromosomen als Heterochromatin inakiviert. Eine typische Zelle hat nur 10% des normalen Chromatins (Euchromatin) im aktivierten Zustand, der Transkription ermàglicht. Die Nucleosomen stàren die RNA- und DNA-Polymerase bei ihrer Arbeit nicht. Wenn ein Gen inaktiv wird, weil es k nstlich ins Heterochromatin verpflanzt wurde, spricht man von einem Positionseffekt. Damit kein Durcheinander beim Euchromatin entsteht, wird es teilweise an der Kernmembran oder der darunterliegenden Kernlamina verankert. Im Nucleolus organisieren sich mehrere Chromosomen zu einer Region in welcher die RNA zur Herstellung von Ribosomen transkribiert wird. Die Proteinteile der Ribosomen werden in den Zellkern importiert und eingebaut. 8.2 Genregulation Alle Zellen haben die gleichen DNA-Satz, aber weil sie ihn anders exprimieren, nimmt jede Zellart ihre spezielle Funktion wahr. Einige Gene werden bei allen Zellen exprimiert. Dies sind die Haushaltsgene f r Cytoskelett, DNA-Verwaltung, Proteinproduktion und Stoffwechsel. Jede Zellart produziert aber auch Proteine, die es in keiner andern gibt. Gene kànnen auf verschiedene Arten reguliert werden: 1. Wann und wie oft ein Gen transkribiert wird. 2. Wie die mrna gespleisst und verândert wird. 3. Welche mrnas translatiert werden. 4. Deaktivierung von fertigen Proteinen. Das wichtigste ist die Kontrolle der Transkription, weil so der Zelle unnàtige Arbeit gespart wird. Die Kontrolle der Transkription wird bei der Initiation von einer DNA- Region vor der Startposition ausgef hrt. An diese Promotor-Region bindet die RNA-Polymerase und beginnt mir der Kopie. Diese Region enthâlt regulatorische DNA-Sequenzen, welche sehr lang sein kànnen und wie molekulare Mikroprozessoren aufgrund vieler Signale (2 von 5) :04:00

3 entscheiden kànnen, ob die RNA-Polymerase andocken soll. Regulatorische DNA-Sequenzen brauchen Genregulatorproteine, um wirksam zu sein. Diese Proteine binden mit vielen schwachen Wechselwirkungen (Wasserstoffbr cken, Ionenbindung) an eine bestimmte DNA-Sequenz, ohne die Basenpaarung zu beeinflussen. Die Bindung der Proteine an die DNA ist extrem spezifisch und hâlt sehr stark. Bei Bakterien befinden sich Gene f r mehrere Proteine eines Syntheseweges auf einem zusammenhângenden Cluster namens Operon. Sie haben einen gemeinsamen Promotor, der normalerweise die RNA-Polymerase andocken lâsst. Wenn aber genug vom Endprodukt dieses Syntheseweges vorhanden ist, làst die Bindung des Endproduktes an ein Repressorprotein eine allosterische Énderung seiner dreidimensionalen Struktur aus, wodurch das Protein an den Promotor des Operons binden kann und so die RNA-Polymerase nicht mehr andocken lâsst. Einige Gene werden dauernd ein bisschen transkribiert (konstitutive Genexpression), beispielsweise Repressorproteine, deren Aktivitât vom Endprodukt eines Sytheseweges reguliert wird und die deshalb immer vorhanden sein m ssen. Es gibt auch Aktivatorproteine, welche an Promotoren binden, wo die RNA-Polymerase normalerweise nicht landen kann, und dadurch die Transkription erst ermàglichen. Sie werden nach dem gleichen Prinzip wie die Repressorproteine reguliert. Bei Eukaryonten funktioniert einiges anders als bei Bakterien: 1. Es gibt drei verschiedene RNA-Polymerasen. Die I. macht rrna (ribosomal) f r den Bau von Ribosomen, die II. mrna (messenger) als Bauplan f r Proteine und die III. trna (transfer) und andere rrna. 2. Die RNA kann die Transkription nicht ohne allgemeine Transkriptionsfaktoren beginnen. Diese sind bei allen Eukaryonten nahezu identisch. Zuerst bindet ein TFIID Protein an eine TATA- Sequenz auf der DNA, die dem Start der Transkription vorangeht. Dies làst eine Biegung der DNA aus und weitere Proteine (TFIIB, TFIIH, TFIIE, TFIIF) und die RNA-Polymerase binden. Die Bindung der Polymerase an die Transkriptionsfaktoren wird dann durch Phosphorylierung gelàst und die Transkription beginnt. 3. Aktivatoren und Repressoren wirken selbst noch weit auf der DNA entfernt zur Promotorregion und steuern die Transkription. 4. Die Packung der DNA auf Nucleosomen muss beachtet werden. Die RNA-Polymerase und die allgemeinen Transkriptionsfaktoren kànnen (3 von 5) :04:00

4 alleine nicht gut funktionieren. Sie brauchen noch Aktivatorproteine zur Unterst tzung der Zusammenlagerung. Diese binden an Verstârkerelemente oder Enhancer genannte DNA-Stellen, welche auch einige tausend Nucleotide egal in welche Richtung vom Promotor entfernt sein kànnen. Das kommt daher, dass sie in der dichgepackten DNA wegen einer Schlaufe trotzdem sehr nahe zum Promotor und der RNA- Polymerase kommen. Aktivatoren vereinfachen die Zusammenstellung der allgemeinen Transkriptionsfaktoren aus den Einzelteilen und Repressoren verhindern sie. Nucleosomen beeinflussen zwar den Ablauf der Transkription nicht, aber sie kànnen ihren Start verhindern, wenn sie sich genau bei einem Promotor befinden. Wenn ein solcher Promotor aktiviert werden soll, dann wird das Nucleosom entweder verschoben oder teilweise aufgelàst. In Eukaryonten wird die Stârke der Expression eines Gens durch die kombinatorische Kontrolle vieler positiv oder negativ wirkender Regulationsproteine bestimmt, welche auf grosse Strecken (bis 50'000 Basen) zwischen Spacers verteilt sein kànnen. Ein einziges Genregulatorprotein kann in manchen Fâllen sehr viele verschiedene Gene anschalten, weil es gerade die entscheidende Komponente in der kombinatorischen Kontrolle ist, die sozusagen das Fass zum berlaufen bringt. Es gibt beispielsweise ein Genregulatorprotein (MyoD), dass f r die Expression der charakteristischen Muskelzellen-Gene verantwortlich ist. Wenn man es in einen Fibroblasten gibt, dann wird er zu einem Myoblasten, der durch Fusion mit dem gleichen Zelltyp zu Muskelzellen wird. Eine Zelle kann sich ihren Zelltyp mittels positiver R ckkopplung (Regulatorprotein veranlasst auch seine eigene Produktion) oder Weitergabe einer charakteristischen Chromatinstruktur. Genregulationsproteine kànnen auch die Expression neuer Genregulationsproteine starten, welche dann auf andere Zellen wirken und dort einen anderen Zelltyp verursachen, der zum korrekten Aufbau eines Organs benachbart zur ersten Zelle sein muss. Durch diese Kaskade von Genregulationsproteinen kann die Bildung eines ganzen Organs gesteuert werden. (4 von 5) :04:00

5 (c) by Nick Fankhauser (5 von 5) :04:00