Ludwig-Maximilians-Universität München
print

Links und Funktionen
Sprachumschaltung

Navigationspfad


Inhaltsbereich

Molekularbiologie

Flexible Hülle

München, 01.06.2015

Der genetische Code ist nicht alles: Der Molekularbiologe Peter Becker erforscht, welche Rolle die Verpackung des Erbmaterials DNA bei der Regulation der Genaktivität spielt.

Das Heer der Fliegen: Sammlung von Drosophila-Mutanten. Foto: Jan Greune

Wenn es um die Funktion und Struktur des Erbgutes geht, stand lange allein die DNA im Vordergrund, nur um die Sequenz des Doppelstranges ging es dann, die Reihenfolge der sogenannten Nukleotidbausteine und die Information, die darin gespeichert ist. Und immer, wenn wieder das Erbgut eines Organismus, das Genom, entschlüsselt war, egal ob Maus, Mikrobe oder Schachtelhalm, machte dies in der Welt der Wissenschaft Furore. Doch das Drumherum im wahrsten Sinne des Wortes spielte so gut wie keine Rolle: Die sogenannten Histone und andere Proteine, die die DNA umgeben und gemeinsam mit ihr das „Chromatin“ bilden, fanden kaum Beachtung. Sie galten als reines Verpackungsmaterial im Chromosom, als statische Struktur.

Doch mittlerweile zeichnet sich immer klarer ab, dass das Genom nichts ist ohne seine komplexe Steuerung – und dass ausgerechnet auch die Verpackung dabei eine nicht unerhebliche Rolle spielt. Die Chromatinfaser bietet eben nicht nur eine schützende Hülle, sondern ist sehr beweglich und an der Steuerung wichtiger Entwicklungs- und Stoffwechselprozesse beteiligt. Die Mechanismen dieser dynamischen Wechselwirkung untersucht Peter Becker, Inhaber des Lehrstuhls für Molekularbiologe an der LMU München, seit Langem.

Damit gehört das Chromatin, so zeigen Beckers Arbeiten, zu jener zellulären Maschinerie, die die Aktivität der Gene steuern kann und festlegt, wann welches Gen in welcher Zelle aktiv ist. Nach einer Art Schaltplan, einem höheren Programm, kann der Organismus gezielt und sehr flexibel einzelne Gene in den Zellen und damit auch einzelne Stoffwechselvorgänge an- und abschalten. All dies verändert nicht die genetischen Baupläne selbst, die Gensequenzen, sondern nur die Aktivitätsmuster, nach denen die Zellmaschinerie mit ihnen arbeitet. Die Codes, die diesen Regulationsvorgängen zugrunde liegen und gewissermaßen den eigentlichen genetischen Code überlagern, fassen Wissenschaftler heute unter der Bezeichnung Epigenetik zusammen. Diese Form der Steuerung kann sehr kurzfristig und auch reversibel reagieren, der Organismus kann damit auch auf alle möglichen Umwelteinflüsse reagieren.

Epigenetische Signale sorgen dafür, dass Muskelzellen sich anders entwickeln und anders arbeiten als Blutzellen und diese wiederum anders als Neuronen. Aber auch Einflüsse wie krankhafter Stress, falsche Ernährung oder Bewegungsmangel können epigenetische Signale setzen. Und schließlich sind epigenetische Änderungen an der Entstehung vieler Krankheiten beteiligt, sie spielen eine Rolle bei Diabetes und Depressionen, bei Krebs und Kreislaufleiden.

Zwei Meter DNA
Doch welche Rolle spielt ausgerechnet die DNA-Verpackung bei dieser Form der Regulation und wie füllt sie sie aus? Das ist die Frage, an deren Beantwortung Peter Becker seit seiner Promotion vor 30 Jahren arbeitet. Keine unerhebliche Frage, denn sie zielt ins Zentrum grundlegender biologischer Vorgänge, und eine hochkomplexe noch dazu. Becker, prämiert mit dem renommierten Leibnizpreis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und einem hochdotierten Grant des Europäischen Forschungsrates (ERC), ist seit 2013 Sprecher bereits eines zweiten Sonderforschungsbereichs an der LMU zum Chromatin und seiner Dynamik.

Auf den ersten Blick mag es fast scheinen, als sei der Natur mit dem Chromatin ein Fehler unterlaufen. Bei den sogenannten Eukaryonten, der Organisationsform, die die Zellen aller Pflanzen, Tiere und auch des Menschen aufweisen, sind die Erbanlagen nur schwer zugänglich. Sie sind hochdicht verpackt, schließlich müssen zwei Meter DNA in einem Zellkern von nur wenigen Mikrometer Größe Platz finden. Darum ist der DNA-Strang wie auf eine Spule um sogenannte Histone gewickelt, acht solcher Pakete wiederum bilden ein Nukleosom. Innerhalb dieser festgepackten Struktur finden sich zahlreiche Bindungen, Paketschnüre sozusagen, die für einen guten Zusammenhalt sorgen.

Heute weiß man jedoch längst, dass dies kein Dauerzustand ist und es im Gegenteil Hunderte von Enzymen gibt, die die Chromatin-Organisation verändern. Beckers Arbeitsgruppe beispielsweise untersucht eine bestimmte Gruppe von Enzymen, die unter Energieverbrauch in der Lage sind, Nukleosomen auf der DNA zu verschieben, im Fachjargon: Nucleosome-remodeling-Faktoren. Sie binden an die Nukleosom-Pakete, an Histone oder direkt an die DNA. Da die Bindungen innerhalb des Chromatins so stark sind, ist es nicht verwunderlich, dass die Zelle die komplexe Verpackungsform nur unter großem Energieaufwand auszuhebeln vermag. Dabei werden die Histone versetzt oder gar ausgetauscht.

So entstehen Freiräume in der dichten Verpackung, damit die Maschinerie der Eiweißweißsynthese den Zugriff auf einzelne Gene hat und sie als Bauplan ablesen kann. Wenn man beispielsweise in Hefezellen, die ebenfalls zu den Eukaryonten gehören, die Remodeling-Faktoren blockiert, werden Gene abgelesen, die für Nonsens-Moleküle kodieren. „Die Regulation der Zugänglichkeit der Erbinformation auf der Ebene der Verpackung ist die für alles Weitere grundlegende Steuerung“, sagt Becker.

Die Regelmäßigkeit der Faser
Ähnliche Modifikationen wiederum sollen Lücken in der Chromatinverpackung schließen. Es gibt also spezielle Enzyme, die sozusagen als Aufräumer die regelmäßige Anordnung der Nukleosomen wiederherstellen. Und diese Ordnung spielt eine wichtige Rolle. Denn Veränderungen auf dieser unteren Nukleosomen-Ebene haben auch Auswirkungen auf übergeordneter Ebene. „Zum Beispiel werden Repressionsmechanismen, die stabile Chromatinfaltungen beinhalten, gestört, wenn man die Regelmäßigkeit der Faser auf der untersten Ebene beeinträchtigt“, sagt Becker. Forscherkollegen entwickeln derzeit spezielle Mikroskopiertechniken, mit denen sich solche Veränderungen sichtbar machen lassen.

Die Aufräumer unter den Remodeling-Faktoren sorgen damit gewissermaßen auch für die Chromatinreparatur und halten so die Zelle gesund. Denn wenn beim Ablesen der Erbanlagen der Chromatinverbund aufgelöst wird, dann ist auch das Risiko groß, dass die DNA Schaden nimmt. „Wenn man solche Remodeling-Faktoren in der Fliege inaktiviert, dann sind diese Tiermodelle empfindlicher gegenüber Strahlenschäden“, so Becker. Und auch für menschliche Zellen hat Becker gezeigt, dass das Fehlen eines solchen Enzyms, das die Bezeichnung SNF2H trägt, zu Chromosomenbrüchen führt. In metastasierenden Tumorzellen fehlt hingegen häufig ein anderes, nahe verwandtes Enzym, SFN2L.

Biochemiker Becker versucht derzeit, die Prinzipien zu klären, nach denen die Remodeling-Maschinerie, die dem Chromatin Plastizität verleiht, zu bestimmten Chromatinabschnitten gelotst wird. „Entweder sind die Faktoren überall vorhanden, tasten also quasi die Chromatinfaser ab, ob irgendwo eine Lücke entstanden ist, oder sie werden durch andere Proteine an eine bestimmte Stelle geführt“, erklärt Becker, beispielsweise dann, wenn ein DNA-Schaden entstanden ist.

Doch wie werden diese Mikromotoren ihrerseits reguliert? Dazu sind mittlerweile eine ganze Reihe von Details bekannt. Teilweise geschieht dies bereits während der Entwicklung der Zelle, dadurch bekommen die Enzym-Komplexe eine an die jeweilige Zellfunktion gut angepasste Gestalt. In manchen Fällen entstehen dann durch die bloße An- oder Abwesenheit der Substanzen verschiedene Chromatinvarianten. In vielen anderen regulieren kleine chemische Veränderungen der Histone die Aktivität der Remodeling-Enzyme. Dabei binden kleine Molekülreste wie Methyl- oder Acetylgruppen an die Histone und verändern so die Infrastruktur, die grundlegende Faser. Vor allem diejenigen Histone werden häufig chemisch aktiviert und deaktiviert, die sehr eng an den Stoffwechsel der Zelle gebunden sind. „Das Spannende ist zu sehen, dass nicht nur die Infrastruktur sondern auch die Enzyme, die das Chromatin beeinflussen, selbst durch die Modifikation reguliert werden“, sagt Becker. Durch eine faszinierende Kombination von positivem Feedback und sich selbst verstärkenden Prozessen sind also einzelne Chromatinstrukturen sehr stabil, da sie immer wieder von allen Seiten bestätigt werden. Allerdings können die chemischen Veränderungen durch Abspaltung auch wieder rückgängig gemacht werden. So sind einige Stellen im Chromatin einem ständigen Wechsel unterworfen.

Zelluläres Feintuning
Beckers Forschung räumt damit endgültig mit der veralteten Vorstellung auf, dass es gleichsam nur zwei Verpackungszustände für das Erbmaterial gäbe: das besonders kompakte, gut verschnürte und deshalb inaktive Heterochromatin und das lockere Euchromatin. „Vielmehr gibt es dazwischen jede Menge feine Abstufungen“, erklärt Becker – Gegenstand des zellulären Feintunings.

Einem besonderen Fall einer solchen Feinabstimmung widmet Becker mittlerweile ein größeres Forschungsprojekt. Darin versucht sein Team die Mechanismen der sogenannten Dosis-Kompensation zu entschlüsseln. Wie schafft es der Organismus, dass beim Männchen auch die X-Chromosomen genügend Genprodukte liefern? Schließlich enthält jede Zelle einen doppelten Chromosomensatz, die Geschlechtschromosomen aber sind beim Männchen jeweils nur einfach vertreten. Auf dem Y-Chromosom liegen ohnehin nur wenige Gene, doch für das X-Chromosom muss die Zellmaschinerie, die die Gene in Produkte umsetzt, gleichsam doppelt aktiv sein. Wie die Zellen in bestimmten Fällen also die Produktivität hochfahren können, diesen hochkomplexen Regulationsprozess untersucht Becker am Beispiel der Taufliege. Ohne eine solche funktionierende Dosis-Kompensation, so viel ist klar, ist ein Organismus nicht lebensfähig.

Und wieder stellt sich heraus, dass das Chromatin eine wesentliche Rolle bei diesem essentiellen Steuerungsprozess spielt. Fein abgestimmte Modifikationen des Chromatins sichern, dass Gene auf dem X-Chromosomen doppelt abgelesen werden. „Wir wissen, dass es dafür einen Signalgeber gibt, den so genannten Dosis-Kompensationskomplex“, abgekürzt DCC, sagt Becker. Und bekannt ist auch, dass dieser Komplex neben Proteinen aus einem langen nichtkodierenden Abschnitt des Erbmaterials RNA besteht.

Beckers Arbeiten konzentrieren sich nun auf die Frage, wie der DCC das X-Chromosom identifiziert und wie die Gene darauf aktiviert werden. Erste Ergebnisse gibt es bereits: „Durch die Acetylierung eines bestimmten Histons wird die Chromatinfaser geöffnet, sodass die Enzyme die Erbinformation vermehrt ablesen können“, erklärt der Biochemiker. Dabei steigert die Acetylierung die Gen-Aktivität um sogar das Zehnfache. Zum Feintuning muss die Zellmaschinerie also gehörig gegenregulieren. Durch welche Repressionsmechanismen dies geschieht, ist aber bislang noch nicht bekannt.

Welche Rolle spielt aber der lange RNA-Abschnitt, der in den Dosis-Kompensationskomplex eingebunden ist? Das ist eine der Spuren, die Becker verfolgt. Dass auch er mehr als reines Packmaterial ist, dafür spricht die generelle Erkenntnis, dass nicht wie lange angenommen nur der kleine Teil des Genoms abgelesen wird, der für Proteine kodiert. Heute ist klar, dass weit größere Teile des Genoms abgelesen – und in RNA übersetzt werden.

Nicht nur im Fall des DCC „vermuten wir, dass die RNA-Anteile sehr flexible Gerüste darstellen“, erklärt Becker. Schließlich lassen sie sich beispielsweise durch sogenannte Helikasen verändern und zu Haarnadelstrukturen und Schleifen falten. Aber wenn RNA-Moleküle an Proteine gebunden werden, beeinflussen sie nicht nur deren Struktur, sondern auch deren Eigenschaften. Beim Dosis-Kompensationskomplex vermuten die LMU-Wissenschaftler, dass die RNA-Haarnadel als eine Art Aus-Schalter fungiert. Nur unter Bedingungen, wie sie an bestimmten Regionen des X-Chromosoms vorliegen, so die Hypothese, klappt die Nadel auf, der Schalter ist umgelegt, der Komplex kann aktiv werden. Damit wäre sichergestellt, dass der Organimus die Dosis-Kompensation nur auf Gene des X-Chromosoms anwendet. Das, so Becker, wäre neben dem energieintensiven Remodeling und dem Markieren durch Molekülreste ein dritter Mechanismus, die Dynamik im Chromatin zu wecken – und damit die Genaktivität flexibel zu steuern.
Kathrin Burger (Forschungsmagazin Einsichten 1/2015)

 

Prof. Dr. Peter Becker ist Inhaber des Lehrstuhls für Molekularbiologie und Geschäftsführender Vorstand am Biomedizinischen Centrums (BMC) der LMU. Becker, Jahrgang 1958, studierte Biologie an der Universität Heidelberg und promovierte 1987 am Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg, wo er bis 1988 wissenschaftlicher Mitarbeiter war. Nach Stationen am Laboratory of Biochemistry am National Cancer Institute (USA) und am European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg ist Becker seit 1999 Ordinarius an der LMU. Becker wurde 2005 mit dem Leibnizpreis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ausgezeichnet, 2011 mit einem Advanced Grant des Europäischen Forschungsrates (ERC). Von 2000 bis 2012 war er Sprecher eines DFG-geförderten Sonderforschungsbereiches zum Chromatin, seit 2013 ist er ebenfalls Sprecher im Nachfolgeprojekt zur „Chromatindynamik“.

erc_535_banner_web