In einem Metaphase-Chromosom, das nur Bruchteile eines Millimeters lang ist, ist ein über 4 cm langer DNA-Faden verpackt. Wie kommt diese starke Verdichtung der DNA zustande?
Die Kondensierung der DNA geschieht in mehreren Schritten, die wir auf dieser Seite kurz besprechen wollen.
Wenn Sie Biologie als Leistungskurs haben oder sogar schon Biologie oder Medizin studieren, sollten Sie sich vielleicht die Langfassung dieser Seite anschauen. Die verschiedenen Organisationsstrukturen der DNA werden hier viel ausführlicher beschrieben, es werden auch alternative Modelle der 30-nm-Faser vorgestellt.
Stufe 1: Nucleosomen
Organisation eines Nucleosoms
Autor: Ulrich Helmich, Lizenz: Lizenz: Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0.
Ein Nucleosom besteht aus einem Kern-Komplex aus den acht Histonen H2A, H2B, H3 und H4. Jedes Histon kommt zweimal in dem Komplex vor. Die DNA-Doppelhelix windet sich dann ca. 1,6 mal um diesen Kern-Komplex herum.
Histone sind Proteine mit vielen Lysin- und Arginin-Resten, deren positiv geladene Seitenketten die negativ geladenen Phosphatreste der DNA elektrisch anziehen.
Durch das "Wickeln" der DNA um den Histonkomplex wird ein Kondensationsfaktor von ca. 5 bis 10 erreicht.
Das Histon H1, das den Nucleosomen von außen aufliegt, spielt eine wichtige Rolle bei der Bildung der nächst höheren Struktur, der 10-nm-Faser.
Stufe 2: 10-nm-Faser
Die einzelnen Nucleosomen werden durch ein ca. 50 bis 70 Basenpaare langes Stück DNA verbunden, die als Linker-DNA bezeichnet wird.
Ein Komplex aus vier Nucleosomen, die durch Linker-DNA miteinander verbunden sind.
Autor: Ulrich Helmich 05/2024, Lizens siehe Seitenende.
Stufe 3: 30-nm-Faser
Unter bestimmten Bedingungen bildet diese 10 nm-Faser eine Spirale mit einem Durchmesser von 30 nm, die als 30-nm-Faser. Eine Windung dieser 30-nm-Faser besteht aus ungefähr sechs Nucleosomen.
Durch die Bildung von 30-nm-Fasern wird die Länge der DNA insgesamt um den Faktor 40 reduziert [6].
Eine grobe Darstellung der 30 nm-Faser
Quelle: Wikipedia, Artikel "Solenoid (DNA)", Autor: Richard Wheeler, Lizenz: Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0.
Stufe 4: 300 nm-Faser
Bei der "Aufwicklung" der 30 nm-Faser zu einer zehnmal so dicken Struktur spielen die Histone keine Rolle mehr, jetzt kommen andere Proteine ins Spiel. Durch die Bildung von 300-nm-Fasern wird die Länge der DNA insgesamt um den Faktor 680 reduziert [6].
Stufe 5: 700 nm-Faser
Die 300 nm-Fasern wickeln sich dann nochmals zu Fasern von ca. 700 nm Durchmesser auf. Diese Fasern schließlich sind dann "aufgewickelt" zum eigentlichen Chromosom.
Durch die Bildung von 700-nm-Fasern wird die Länge der DNA insgesamt um den Faktor 12.000 reduziert [6].
Stufe 6: Chromosom
Damit wären wir am Ende der DNA-Kondensation.
Typisches Lehrbuchbild des Chromosomenaufbaus
Quelle: commons.wikimedia.org, Autor: Phrood~commonswiki, Lizenz: public domain.
Hier noch einmal ein schönes Bild, wie man es aus den meisten Oberstufen-Lehrbüchern kennt. Ob ein Chromosom tatsächlich so aufgebaut ist, ist noch nicht endgültig geklärt.
Quellen:
- Alberts et al. Molekularbiologie der Zelle, 6. Auflage, Weinheim 2017.
- Berg, Tymoczko, Gatto jr., Stryer: Stryer Biochemie, 8. Auflage, Springer Berlin Heidelberg 2018.
- Knippers, Molekulare Genetik, Stuttgart 2006.
- Spektrum-Lexikon der Biologie, Artikel "Histon-Acetylierung".
- Graw: Genetik, 7. Auflage, Springer Spektrum, Berlin 2021.
- Spektrum-Lexikon der Biologie, Artikel "Chromatinorganisation".