Chromatin und die Aktivität von Genen

von Dr. Ho-Ryun Chung

Haut- und Nervenzellen eines Individuums sehen nicht nur sehr verschieden
aus, sie erfüllen auch gänzlich unterschiedliche Funktionen. Hautzellen schützen den Organismus vor Fremdeinflüssen, während Nervenzellen Informationen in Form elektrischer Impulse verarbeiten. Trotz dieser Unterschiede sind die Zellen genetisch identisch; die Sequenz der DNA (ihr Genom) ist in allen Zellen gleich. Unterschiede bestehen jedoch hinsichtlich der „Verwendung“ der einzelnen Gene. Welche Gene zu welchem Zeitpunkt und in welcher Menge von einer Zelle abgelesen (transkribiert) werden, hängt von ihrem momentanen Zustand ab.

Daneben spielen aber auch die Zustände eine Rolle, die die Zelle in ihrer Vergangenheit eingenommen hat. Daher ist es nicht so einfach, zum Beispiel eine Hautzelle in eine Nervenzelle umzuwandeln, da beide unterschiedliche Entwicklungszustände durchlaufen haben und sich daran „erinnern“ können.
Dieses zelluläre Gedächtnis ist Gegenstand der Epigenetik, die sich mit der Vererbung der Zelleigenschaften oder der molekularen Veränderungen befasst, die nicht über die DNA-Sequenz festgelegt sind.

Chromatin und Histonmodifikationen

Etwa 2 x 3,2 Milliarden Basenpaare sind die DNA-Moleküle eines Menschen lang, was einer Gesamtlänge von ca. zwei Metern entspricht. DNA-Moleküle sind stark negativ geladen, d.h., die einzelnen DNA-Stränge stoßen sich gegenseitig ab. In ungepackter Form würden sie daher ein großes Volumen beanspruchen. Damit die DNA dennoch in den Zellkern passt, ist sie um positiv geladene „Verpackungsproteine“, die Histone, gewickelt. Histone neutralisieren die negative Ladung der DNA und erlauben dadurch eine dichte Packung. Jeweils zwei Kopien der Histone H2A, H2B, H3 und H4 bilden einen Komplex, um den ein etwa 147 Basenpaare langer Abschnitt der DNA gewickelt ist. Diesen DNA-Protein-Komplex nennt man Nukleosom; die Nukleosomen bilden die Grundeinheit des Chromatins (Abb. 1).
Unter Chromatin versteht man die Mischung aus DNA und Proteinen, in der die Gene innerhalb einer Zelle vorliegen. Hier finden die biochemischen Prozesse statt, über die der Organismus gesteuert wird. Damit jedoch Vorgänge wie das Ablesen von Genen (Transkription) oder das Kopieren des Genoms stattfinden können, muss das Chromatin in der Umgebung eines Gens seine Struktur und/oder Zusammensetzung ändern. Dementsprechend kann die Transkription eines Gens über die Veränderung des umgebenden Chromatins reguliert werden.
Dies beinhaltet auch die Möglichkeit, das Chromatin dauerhaft so zu verändern, dass bestimmte Gene transkribiert oder nicht transkribiert werden können. Dieser Mechanismus könnte die molekulare Grundlage eines zellulären Gedächtnisses bzw. die Grundlage für epigenetische Phänomene darstellen.
Veränderungen in der Struktur und Zusammensetzung des Chromatins gehen nur sehr selten mit einem großflächigen Verlust von Histonen einher. In der Regel werden Histone chemisch modifiziert, z.B. durch das Anhängen von Acetyl- oder Methylgruppen.
Einige Modifikationen ändern die Eigenschaften der Histone. Die Acetylierung beispielsweise verringert die positive Ladung und destabilisiert dadurch den gesamten DNA-Histonkomplex. Andere Modifikationen werden durch Proteine erkannt, die entweder direkt die Aktivität der Transkriptionsmaschinerie oder aber die Chromatinstruktur
beeinflussen.

Histonmodifikationen und Epigenetik

Histone und damit ihre Modifikationen sind an die DNA gebunden. Während der Replikation werden die vorhandenen Histone zufällig auf die beiden DNA-Tochterstränge verteilt und durch neue Histone komplementiert.
Es ist jedoch unklar, wie die bestehenden Modifikationsmuster während der Replikation auf den DNA-Tochtersträngen wiederhergestellt bzw. vererbt werden können.
Damit ist es ebenso unklar, wie Histonmodifikationen ein dauerhaftes Gedächtnis bilden und dadurch an epigenetischen Phänomenen beteiligt sein können. Ein potenzieller Mechanismus, der eben dies ermöglichen würde, beruht auf redundanter Information [1]. Das Modell geht davon aus, dass viele Nukleosomen in einem genomischen Bereich mit derselben Modifikation versehen sind. Bei der Replikation würden die modifizierten Histone zufällig auf die beiden DNA-Tochterstränge verteilt. Aber je mehr Nukleosomen vor der Replikation modifiziert waren, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die modifizierten Histone bei der Replikation auf beide DNA-Tochterstränge verteilt werden. Wenn die Präsenz der Modifikation nun zu der Anlagerung eines Enzyms führen würde, welches die betreffende Modifikation bei den noch nicht modifizierten Nukleosomen induzierte, könnte nach Abschluss der Replikation der ursprüngliche Zustand wieder hergestellt werden. Tatsächlich befinden sich die meisten Histonmodifikationen aber nur an wenigen Nukleosomen. Es sind nur einzelne Modifikationen, die Nukleosomen betreffen, welche große Bereiche des Genoms abdecken.
Deren Modifikationsmuster ließen sich durch den oben genannten Mechanismus stabil vererben und könnten daher als epigenetische Modifikationen bezeichnet werden. Die Gene in diesen Bereichen sind inaktiv, das Chromatin hat hier einen Zustand angenommen, der die Transkription verhindert. Über den beschriebenen Mechanismus könnten Zellen im Zuge ihrer Entwicklung dauerhaft diejenigen Gene stilllegen, die sie oder ihre Nachkommen nicht (mehr) benötigen. Ein solches Szenario würde auch erklären, warum es so schwer ist, eine Hautzelle in eine Nervenzelle umzuwandeln. Die Hautzelle hätte danach wichtige Gene stabil ausgeschaltet, die für die Funktion der Nervenzelle erforderlich wären.

Histonmodifikationen und Transkription

Natürlich stellt sich bei Annahme dieses Szenarios unmittelbar die Frage nach der Funktion der übrigen Histonmodifikationen, die nur wenige Nukleosomen betreffen. Diese könnten direkt an den Prozessen beteiligt sein, die an der DNA stattfinden, z.B. der Transkription. Eine solche Annahme wird durch die Tatsache gestützt, dass die meisten Histonmodifikationen an Nukleosomen in der so genannten Promotorregion im Anfangsbereich von Genen zu finden sind. In diesem Bereich wird die Transkription eingeleitet. Wir haben untersucht, ob die Häufigkeit von Histonmodifikationen am Promotor Rückschlüsse auf die transkriptionelle Aktivität der zugehörigen Gene erlaubt [2]. Dazu bestimmten wir zunächst die Häufigkeit von 38 Histonmodifikationen in der Nähe des Promotors in der DNA von menschlichen weißen Blutkörperchen. Als Grundlage diente ein öffentlich verfügbarer Datensatz (siehe Abb. 2). Mithilfe quantitativer Modelle konnten wir zeigen, dass die Häufigkeit von Histonmodifikationen im Promotor eine Vorhersage der transkriptionellen Aktivität der betreffenden Gene erlaubt. In weiteren Analysen konnten wir zeigen, dass für eine Vorhersage die Information über die Häufigkeit von nur drei oder vier Arten von Modifikationen genügt.
Unsere Modelle beschränken sich dabei nicht auf weiße Blutkörperchen, sondern können auch zu Vorhersagen in anderen Zelltypen verwendet werden. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das Ablesen von Genen eng mit dem Modifikationsstatus der Histone zusammenhängt. Die Kommunikationswege zwischen den Histonmodifikationen und der Maschinerie zum Ablesen von Genen müssen folglich sehr kurz sein. Histonmodifikationen können vermutlich direkt in den transkriptionellen Prozess eingreifen und ihn steuern.

chung@molgen.mpg.de

Abb. 1 Chromatinstruktur

Abb. 2 Bestimmung der Häufigkeit von Histonmodifikationen im Genom. Antikörper können Histonmodifikationen spezifisch erkennen. Nachdem das Chromatin in kleine Stücke zerhackt worden ist (1), können mithilfe von Antikörpern diejenigen Chromatinfragmente isoliert werden, deren Nukleosome eine bestimmte Modifikation tragen (2). Nach Abtrennung der Proteine erhält man die DNA-Fragmente, die ursprünglich mit den modifizierten Nukleosomen verbunden waren (3). Die Sequenz dieser DNA-Fragmente gibt Aufschluss über ihre Position im Genom. Mit Hochdurchsatzmethoden können Millionen dieser Fragmente sequenziert werden. Dies erlaubt die Bestimmung der relativen Häufigkeit, mit der eine Histonmodifikation in einer Region der DNA vorkommt.

Literatur

[1] Dodd, I.B. et al. (2007) Cell 129, 813-822
[2] Karlic et al. (2010) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 2926-2931